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Dokumentenidentifikation DE60312921T2 13.12.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001364870
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Zuteilung der Schubkraft an einem Flug- oder Wasserfahrzeug
Anmelder Kawasaki Jukogyo K.K., Kobe, Hyogo, JP;
Kabushiki Kaisha Kawasaki Zosen, Kobe, JP
Erfinder Hamamatsu, Masanori, Kobe-shi, Hyogo 655-0018, JP;
Kohno, Yukinobu, Kako-gun, Hyogo 675-1122, JP;
Higashi, Masaaki, Kobe-shi, Hyogo 651-2275, JP;
Nakashima, Kenichi, Kobe-shi, Hyogo 655-0885, JP;
Saito, Yasuo, Osaka 565-0843, JP;
Ohnishi,Hiroshi, Kobe-shi, Hyogo 654-0054, JP
Vertreter Patentanwälte Maxton Langmaack & Partner, 50968 Köln
DE-Aktenzeichen 60312921
Vertragsstaaten AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, RO, SE, SI, SK, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 20.05.2003
EP-Aktenzeichen 030114011
EP-Offenlegungsdatum 26.11.2003
EP date of grant 04.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.12.2007
IPC-Hauptklasse B63H 25/46(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse B63H 25/42(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   B63H 11/10(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   G05D 1/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zuteilung von Schubkräften an einem Flug- und Wasserfahrzeug (im Nachfolgenden als Fahrzeug bezeichnet), wie beispielsweise einem Schiff und einem Luftschiff, durch Berechnung von Stellgrößen, die einer Mehrzahl von Schubgeneratoren zugeführt werden sollen, mit welchen das Fahrzeug ausgerüstet ist, um zu ermöglichen, dass das Fahrzeug eine gewünschte Schubkraft erzeugt, sowie eine Schubkraftzuteilungsvorrichtung zur Verwendung bei dem Verfahren.

Beschreibung des Standes der Technik

Üblicherweise sind ein Flug- und Wasserfahrzeug wie beispielsweise ein Schiff, darunter eine Fahrzeugfähre und ein U-Boot, sowie ein Luftschiff mit einer Mehrzahl von Schubgeneratoren ausgerüstet. Damit das Fahrzeug betrieben oder an einem Festpunkt gehalten werden kann, ist es notwendig, die Mehrzahl von Schubgeneratoren anzutreiben. In diesem Fall gibt es verschiedene Kombinationen von Schubkräften, die von den Schubgeneratoren erzeugt werden, um einen Schub in dem gesamten Fahrzeug zu erzeugen. Um den Kraftstoffverbrauch in den Schubgeneratoren zu minimieren, wird eine Zuteilung der erzeugten Schubkräfte auf die Schubgeneratoren wesentlich. Um dieser Anforderung gerecht zu werden, sind verschiedene Verfahren zum Zuteilen der von den Schubgeneratoren erzeugten Schubkräfte zum Zwecke der Erzeugung eines Sollschubs in dem gesamten Fahrzeug vorgeschlagen worden.

Ein solches Verfahren ist in der japanischen offengelegten Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer Hei. 1 – 311997 offenbart, welche den nächstliegenden Stand der Technik darstellt. Dieses Schubkraftzuteilungsverfahren besteht darin, von den Schubgeneratoren erzeugte Schubkräfte zu berechnen, welche ein Kräftegleichgewicht und ein Momentengleichgewicht (einschränkende Bedingung) zwischen den von den Schubgeneratoren erzeugten Schubkräften und dem Schub in dem gesamten Fahrzeug erfüllen, und einen Wert eines vorgegebenen Leistungsindex, der mit den von den Schubgeneratoren erzeugten Schubkräften in Zusammenhang steht, zu minimieren.

Die japanische offengelegte Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer Hei. 2001 – 219899 offenbart ein Schubkraftzuteilungsverfahren, bei welchem in einem Fahrzeug, das mit drehbaren Schubgeneratoren ausgerüstet ist, wobei Schubkräfte berechnet werden, die von den Schubgeneratoren erzeugt werden, welche eine Einschränkung für nominelle Schubkräfte und Betriebswinkelbereiche (Drehwinkelbereiche) für die Schubgeneratoren erfüllen und den Energieverbrauch minimieren. Bei diesem Schubkraftzuteilungsverfahren werden die von den Schubgeneratoren erzeugten Schubkräfte, welche ein Kräftegleichgewicht und Momentengleichgewicht erfüllen und einen Wert für einen Leistungsindex minimieren, der mit den von den Schubgeneratoren erzeugten Schubkräften in Zusammenhang steht, berechnet, und wenn die berechneten Schubkräfte größer als die nominellen Schubkräfte sind, wird ein Parameter verändert, der dem zugehörigen Schubgenerator entspricht, und die Schubkraft wird neu berechnet, oder wenn ein Schubgenerator vorhanden ist, dessen Azimut sich in einem verbotenen Winkelbereich befindet, wird der Azimut außerhalb des verbotenen Winkelbereichs eingestellt.

Die japanische offengelegte Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer Hei. 9 – 2393 offenbart ein Schubkraftzuteilungsverfahren, bei welchem bei einem Fahrzeug, das mit drehbaren Schubgeneratoren ausgerüstet ist, die von den Schubgeneratoren erzeugten Schubkräfte in solcher Weise berechnet werden, dass die Drehwinkel der Schubgeneratoren minimiert werden. Mit diesem Schubkraftzuteilungsverfahren sollen die von den Schubgeneratoren erzeugten Schubkräfte berechnet werden, für welche die Drehwinkel für die Schubgeneratoren minimal sind, indem ein Wert eines Leistungsindex minimiert wird, der mit den Drehwinkeln der Schubgeneratoren in Zusammenhang steht, während ein Kräftegleichgewicht und ein Momentengleichgewicht aufrechterhalten wird.

Bei dem vorstehend erwähnten herkömmlichen Schubkraftzuteilungsverfahren werden jedoch das Kräftegleichgewicht und das Momentengleichgewicht, d. h. die einschränkende Bedingung, nicht basierend auf nichtlinearen Charakteristika oder dynamischen Charakteristika der Schubgeneratoren bestimmt. Üblicherweise weisen die Schubgeneratoren nichtlineare Charakteristika auf. Ein Beispiel dafür ist, dass, wenn der Schubgenerator ein Propeller ist, die Beziehung zwischen einer Rotationsgeschwindigkeit des Propellers und dem entsprechend erzeugten Schub nichtlinear ist. Wenn der Propeller mit einer Rotationsgeschwindigkeit (Stellgröße) angetrieben wird, die proportional zu der Schubkraft ist, welche aus der Berechnung abgeleitet wird, um eine solche Schubkraft zu erzeugen, wird ein großer Fehler zwischen einem Sollschub und einem tatsächlich erzeugten Schub bewirkt. Aus diesem Grund ist es mit dem herkömmlichen Schubkraftzuteilungsverfahren nicht möglich, die Schubkräfte, die von den Schubgeneratoren erzeugt werden, mit hoher Präzision zu regulieren.

Außerdem weist der Schubgenerator gewisse dynamische Charakteristika wie beispielsweise eine Verzögerung auf. Diese würde in dem Schubgenerator auftreten, der mit einem Ruder ausgerüstet ist, welches mit einer relativ geringen Geschwindigkeit reagiert. Bei einem solchen Schubgenerator wird, wenn das Ruder derart angesteuert wird, dass der Ruderwinkel verändert wird, um die aus der Berechnung abgeleitete Schubkraft zu erzeugen, Zeit benötigt werden, um das Ruder auf einen gewünschten Ruderwinkel zu verändern. Auch in diesem Fall ist es mit dem herkömmlichen Schubkraftzuteilungsverfahren nicht möglich, die von dem Schubgenerator erzeugte Schubkraft mit hoher Präzision zu regulieren.

Der zuvor erwähnte Leistungsindex beinhaltet üblicherweise Wichtungsfaktoren, mit welchen eine Zustandsvariable, die einen Zustand des Schubgenerators repräsentiert, und/oder eine Stellgröße des Schubgenerators zu multiplizieren ist. Bei einem Fehlerereignis in einem der Schubgeneratoren ist es notwendig, den fehlerhaften Schubgenerator außer Betrieb zu setzen, indem beispielsweise der Wichtungsfaktor, welcher dem Schubgenerator zugeordnet ist, verändert wird und den verbleibenden Schubgeneratoren Schubkräfte zuzuteilen. Dadurch wird ein Sollschub in dem gesamten Fahrzeug korrekt erreicht. Bei dem herkömmlichen Schubkraftzuteilungsverfahren kann jedoch der Wichtungsfaktor nicht im laufenden Betrieb, d. h. in Echtzeit, verändert werden, und daher können, wenn der Fehler in dem Schubgenerator auftritt, die von den verbleibenden Schubgeneratoren erzeugten Schubkräfte nicht korrekt erzielt werden. Folglich ist eine Schubkraftzuteilung im Wesentlichen unmöglich.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung, wie sie durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 11 offenbart wird, wendet sich dem vorstehend beschriebenen Zustand zu, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Schubkraftzuteilungsverfahren zur Verfügung zu stellen, mit welchem die von Schubgeneratoren erzeugten Schubkräfte mit höherer Präzision als bei dem herkömmlichen Verfahren reguliert werden können, sowie eine Schubkraftzuteilungsvorrichtung zur Verwendung bei dem Schubkraftzuteilungsverfahren.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Schubkraftzuteilungsverfahren zur Verfügung zu stellen, bei welchem, wenn ein Fehler in einem der Schubgeneratoren auftritt, eine Berechnung basierend auf den von den verbleibenden Schubgeneratoren erzeugten Schubkräften korrekt erfolgt, sowie eine Schubkraftzuteilungsvorrichtung zur Verwendung bei dem Schubkraftzuteilungsverfahren.

Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Zuteilung von Schubkräften an einem Flug- und Wasserfahrzeug zur Verfügung gestellt, welches mit einer Vielzahl von Schubgeneratoren ausgerüstet ist, welche entsprechend den Stellgrößen Schubkräfte erzeugen, umfassend ein Berechnen der Stellgrößen, welche der Vielzahl von Schubgeneratoren zugeführt werden, um zu ermöglichen, das Flug- und Wasserfahrzeug mit einer vorgegebenen Sollschubkraft zu betreiben oder an einem Festpunkt zu halten, wobei basierend auf einem Kräftegleichgewicht und Momentengleichgewicht zwischen den von den Schubgeneratoren erzeugten Schubkräften und einer Schubkraft des Flug- und Wasserfahrzeugs, welche basierend auf nichtlinearen Charakteristika der Schubgeneratoren vorgegeben ist, und basierend auf einem vorgegebenen Leistungsindex, welcher mit Zustandsvariablen in Zusammenhang steht, welche mit Zuständen der Schubgeneratoren und/oder den von den Schubgeneratoren erzeugten Schubkräften in Zusammenhang stehen, um die von den Schubgeneratoren erzeugten Schubkräfte zu minimieren, die Stellgrößen der Schubgeneratoren, welche ein Gleichgewicht zwischen den Stellgrößen und der Sollschubkraft sowie eine vorgegebene Bedingung des Leistungsindex erfüllen, unter Verwendung von Variationsberechnungen berechnet werden, wobei das Kräftegleichgewicht und Momentengleichgewicht als einschränkende Bedingungen verwendet werden.

Außerdem wird eine Vorrichtung zum Zuteilen von Schubkräften an einem Flug- und Wasserfahrzeug zur Verfügung gestellt, welches mit einer Vielzahl von Schubgeneratoren ausgerüstet ist, welche entsprechend Stellgrößen Schubkräfte erzeugen, wobei die Vorrichtung zum Berechnen der Stellgrößen, welche der Vielzahl von Schubgeneratoren zugeführt werden, konfiguriert ist, um zu ermöglichen, das Flug- und Wasserfahrzeug mit einem vorgegebenen Sollschub zu betreiben oder an einem Festpunkt zu halten, umfassend: ein Berechnungsmittel zum Berechnen der Stellgrößen der Schubgeneratoren, welche ein Gleichgewicht zwischen den Stellgrößen und dem Sollschub sowie eine vorgegebene Bedingung eines vorgegebenen Leistungsindex erfüllen, basierend auf einem Kräftegleichgewicht und Momentengleichgewicht zwischen den von den Schubgeneratoren erzeugten Schubkräften und einer Schubkraft des Flug- und Wasserfahrzeuges, welches basierend auf nichtlinearen Charakteristika der Schubgeneratoren vorgegeben ist, und basierend auf dem vorgegebenen Leistungsindex, welcher mit Zustandsvariablen in Zusammenhang steht, welche mit Zuständen der Schubgeneratoren und/oder mit den von den Schubgeneratoren erzeugten Schubkräften in Zusammenhang stehen, um die von den Schubgeneratoren erzeugten Schubkräfte zu minimieren, wobei das Berechnungsmittel Variationsrechnungen zum Berechnen der Stellgrößen der Schubgeneratoren verwendet, wobei das Kräftegleichgewicht und Momentengleichgewicht als einschränkende Bedingungen verwendet werden.

Entsprechend der vorstehenden Erfindung wird das Kräftegleichgewicht und Momentengleichgewicht zwischen den Schubkräften, die von den Schubgeneratoren erzeugt werden, und der Schubkraft in dem Flug- und Wasserfahrzeug basierend auf den nichtlinearen Charakteristika der Schubgeneratoren, vorgegeben, und aus Kombinationen der von den Schubgeneratoren erzeugten Schubkräfte, welche das Gleichgewicht in Bezug auf den Sollschub erfüllen, wird die Kombination von Schubkräften erhalten, welche die vorgegebene Bedingung für den Leistungsindex erfüllt. Bei dieser Konfiguration kann selbst bei einem Flug- und Wasserfahrzeug, das mit einem Schubgenerator ausgerüstet ist, der keine Linearität in der Beziehung zwischen der Stellgröße und der erzeugten Schubkraft zeigt, die Stellgröße, die zum Erzielen des Sollschubs erforderlich ist, korrekt berechnet werden. Infolgedessen können die von den Schubgeneratoren erzeugten Schubkräfte mit höherer Präzision als bei dem herkömmlichen Verfahren reguliert werden.

Vorzugsweise wird das Gleichgewicht basierend auf den nichtlinearen Charakteristika und dynamischen Charakteristika der Schubgeneratoren vorgegeben.

Bei dieser Konfiguration wird selbst für den Fall eines Flug- und Wasserfahrzeugs, das mit einem Schubgenerator ausgerüstet ist, welcher keine Linearität in der Beziehung zwischen der Stellgröße und dem erzeugten Schub zeigt und der eine Verzögerung zwischen dem Zeitpunkt, zu dem eine Betriebsanweisung gegeben wird, und dem Zeitpunkt, zu dem der Schub wie angewiesen erzeugt wird, aufweist, d. h. eine dynamische Charakteristik aufweist, die Stellgröße, die zum Erzielen des Sollschubs erforderlich ist, korrekt berechnet werden können, und die Schubkräfte, die von den Schubgeneratoren erzeugt werden, können mit höherer Präzision als bei dem herkömmlichen Verfahren reguliert werden.

Das Gleichgewicht ist durch Formeln (1) bis (3) gegeben:

wobei:
X
eine longitudinale Komponente der Schubkraft des Flug- und Wasserfahrzeuges ist,
Y
eine laterale Komponente der Schubkraft des Flug- und Wasserfahrzeuges ist,
N
ein Schubmoment in einer Drehrichtung des Flug- und Wasserfahrzeuges ist,
fxi
eine longitudinale Komponente der von einem i-ten Schubgenerator erzeugten Schubkraft ist,
fyi
eine laterale Komponente der vom i-ten Schubgenerator erzeugten Schubkraft ist,
k1i und k2i
Koeffizienten sind, und
i
gleich 1 bis n ist (n: natürliche Zahl).

Die von den Schubgeneratoren erzeugten Schubkräfte F(t) = [fx1 ... fxn fy1 ... fyn]T sind durch eine nichtlineare Gleichung (4) gegeben: F(t) = h[x(t), u(t), t](4) wenn die Stellgrößen der Schubgeneratoren durch u(t) = [u1 ... um]T (m: positive ganze Zahl) der Schubgeneratoren dargestellt werden, wobei:

t
eine Zeitvariable ist, und
x
die durch nichtlineare Differentialgleichungen (5) gegebenen Zustandsvariablen sind.
ẋ(t) = g[x(t), u(t), t](5)

Dadurch kann die dynamische Charakteristik des Schubgenerators, welcher eine Nichtlinearität zeigt, exakter modelliert werden, und die von den Schubgeneratoren erzeugten Schubkräfte können mit höherer Präzision als bei dem herkömmlichen Verfahren reguliert werden.

Die Stellgrößen u können derart bestimmt werden, dass sie die durch eine Formel (6) dargestellte Beziehung erfüllen: |uj(t)| < ujmax(6) wobei:

ujmax
eine Konstante ist und
j
gleich 1 bis m ist (m: natürliche Zahl).

Die Zustandsvariablen x können derart bestimmt werden, dass sie eine durch eine Formel (7) dargestellte Beziehung erfüllen: |xi(t)| < Ximax(7) wobei

Ximax
eine Konstante ist.

Beispielsweise wird bei dem Schubgenerator, der aus einem Propeller und einem hinter dem Propeller platzierten Ruder besteht, wenn ein Fluid durch den Propeller nach hinten getragen wird und das Ruder derart gesteuert wird, dass es die Fluidströmung kreuzt, eine Ruderkraft durch das Ruder erzeugt, wodurch eine laterale Kraft erzeugt wird (laterale Komponente der Schubkraft). Andererseits wird, wenn das Fluid durch umgekehrte Drehung des Propellers nach vorn getragen wird und das Ruder derart gesteuert wird, dass es die Fluidströmung kreuzt, die Ruderkraft in Bezug auf die getragene Fluidströmung und somit die laterale Kraft im Wesentlichen nicht erzeugt. Ein solches nichtlineares Modell wird durch die Formel (4) dargestellt. Infolgedessen kann die nichtlineare Charakteristik des Schubgenerators exakter modelliert werden, und die von den Schubgeneratoren zu erzeugenden Schubkräfte können mit höherer Präzision als bei dem herkömmlichen Verfahren reguliert werden.

Die Schubgeneratoren können Azimut-Schubgeneratoren sein und das Gleichgewicht kann durch Formeln (8) bis (10) gegeben sein:

wobei:
Ti
eine Propellerschubkraft des i-ten Schubgenerators ist,
&thgr;i
ein Drehwinkel des i-ten Schubgenerators ist,
xoi
eine Position des i-ten Schubgenerators bezüglich eines Schwerpunktes des Flug- und Wasserfahrzeuges in einer longitudinalen Richtung des Fahrzeugs ist, und
yoi
eine Position des i-ten Schubgenerators bezüglich des Schwerpunktes des Flug- und Wasserfahrzeuges in einer lateralen Richtung des Fahrzeugs ist.

Der Leistungsindex J kann durch eine Formel (11) gegeben sein: J = ϕ[x(t + T)] + ∫tt+T L[x(t'), u(t')]dt'(11) wobei:

ϕ und L
Skalarwertfunktionen sind, welche bis zu einem vorgegebenen Grad oder höher differenzierbar sind,
T
eine Konstante ist, und
t'
eine Variable ist, welche t ≦ t' ≦ t + T erfüllt, und
die vorgegebene Bedingung zum Minimieren oder Maximieren des Wertes des Leistungsindex J vorgegeben ist.

Eine Regelung, bei welcher der Leistungsindex minimiert wird, dessen Auswertungsintervall sich verändert, wird als Receding Horizon Control bezeichnet.

Hierbei wird eine neue Zeitvariable &tgr; eingeführt, wobei &tgr; = 0 immer der Ist-Zeit t entspricht. Das vorstehende Problem löst sich auf zu einem optimalen Steuerungsproblem mit endlicher Zeit auf der &tgr;-Achse, die mit der Zeit t in Zusammenhang steht, wie durch Formeln (12) bis (14) dargestellt wird: x*&tgr;(&tgr;,t) = g[x*(&tgr;,t), u*(&tgr;,t)](12) x*(0,t) = x(t)(13) J = ϕ[x*(T,t)] + ∫0T L[x*(&tgr;,t), u*(&tgr;,t)]dt(14) wobei tiefgestellte Indizes ein partielles Differential repräsentieren und * an eine Variable auf der Zeitachse &tgr; angefügt wird. X*(&tgr;,t), u*(&tgr;,t) stellen einen optimalen Track sowie eine optimale Stellgröße dar, welche in einem Bereich (T vor x(t)) liegen. Eine Ist-Stellgröße wird durch eine Formel (15) dargestellt: u(t) = u*(0,t)(15)

Was die Zeitachse &tgr; betrifft, soliegt ein normales optimales Steuerungsproblem vor. Hierbei wird mit Hilfe von &lgr;*&rgr;* als unbestimmte Multiplikationsfaktoren die Hamiltonfunktion H durch eine Formel (16) definiert: H = L + &lgr;*Tf + &rgr;*TC(16) wobei

C
= eine Vektorwertfunktion ist, die durch eine Formel (17) gegeben ist:

Daraus werden Euler-Lagrange-Gleichungen abgeleitet, die durch Formeln (18) bis (23) dargestellt werden: &lgr;*&tgr;(&tgr;,t) = –HTx(18) Hu = 0(19) x*&tgr;(&tgr;,t) = HT&lgr;(20) C[x*(&tgr;,t), u*(&tgr;,t)&tgr;] = 0(21) x*(0,t) = x(t)(22) &lgr;*(T,t) = ϕTx[x*(T,t)](23)

Was die vorstehende Receding-Horizon-Regelung betrifft, so wurde ein Lösungsverfahren in Rückwärtszeit vorgeschlagen in Measurement and Control, Bd. 36, Nr. 11 (November 1997), S. 776–783. Durch Konfigurieren des Schubkraftzuteilungsverfahrens und der Schubkraftzuteilungsvorrichtung mit Hilfe dieses Lösungsverfahrens erfolgt die Schubkraftzuteilung in dem Flug- und Wasserfahrzeug fortlaufend, d. h. in Echtzeit.

Vorzugsweise umfasst der Leistungsindex J Wichtungsfaktoren, die mit den Zustandsvariablen x oder den Stellgrößen u in Zusammenhang stehen, und die Wichtungsfaktoren werden in Echtzeit verändert.

Bei dieser Konfiguration werden, wenn ein Fehler in einem der Schubgeneratoren auftritt, mit denen das Flug- und Wasserfahrzeug ausgerüstet ist, die Wichtungsfaktoren, die mit den Zustandsvariablen x und/oder den Stellgrößen u in Zusammenhang stehen, die dem Schubgenerator zugeordnet sind, geeignet verändert, sodass bewirkt wird, dass der Schubgenerator nicht arbeitet, wodurch die Schubkraftzuteilung in den verbleibenden Schubgeneratoren fortgesetzt wird.

Vorzugsweise wird ein Fehler, der in dem Schubgenerator aufgetreten ist, erkannt, und bei der Erkennung werden die Wichtungsfaktoren, die mit den Zustandsvariablen x und/oder den Stellgrößen u des Schubgenerators in Zusammenhang stehen, in welchem der Fehler aufgetreten ist, verändert. Dadurch kann der Wichtungsfaktor automatisch verändert werden, wenn ein Fehler in dem Schubgenerator auftritt.

Diese Aufgabe wie auch weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden für Fachleute auf dem Gebiet anhand der folgenden Beschreibung deutlicher werden, welche mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen gegeben wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 stellt eine schematische Ansicht dar, die einen Aufbau eines mit einer Schubkraftzuteilungsvorrichtung ausgerüsteten Schiffes entsprechend einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;

2 stellt ein Blockdiagramm dar, welches den Aufbau des mit der Schubkraftzuteilungsvorrichtung ausgerüsteten Schiffes entsprechend der ersten Ausführungsform zeigt;

3 stellt ein Ablaufdiagramm dar, das den Ablauf eines Berechnungsprozesses der Schubkraftzuteilungsvorrichtung entsprechend der ersten Ausführungsform zeigt;

4A ist eine grafische Darstellung, die eine Funktion &eegr;(x) darstellt, welche zur Modellierung einer nichtlinearen Charakteristik eines Schubgenerators entsprechend der ersten Ausführungsform genutzt wird;

4B ist eine grafische Darstellung, die eine Funktion v(x) zeigt, welche zur Modellierung der nichtlinearen Charakteristik des Schubgenerators genutzt wird;

5 stellt eine schematische Draufsicht dar, welche eine Lagebeziehung zwischen den Schubgeneratoren auf dem Schiff zeigt, und zwar unter der Annahme, dass ein Propeller und ein Ruder unabhängige Schubgeneratoren darstellen,

6A ist eine schematische Ansicht, welche neutrale Winkel der Ruder in Form eines V bei dem Schiff entsprechend der ersten Ausführungsform zeigt;

6B ist eine schematische Ansicht, die neutrale Winkel der Ruder in Form eines ungekehrten V bei dem Schiff entsprechend der ersten Ausführungsform zeigt;

7 stellt ein Ablaufdiagramm dar, das ein Beispiel für eine Prozedur der Schubkraftzuteilungsvorrichtung entsprechend der ersten Ausführungsform zeigt;

8 stellt ein Ablaufdiagramm dar, das ein weiteres Beispiel der Prozedur der Schubkraftzuteilungsvorrichtung entsprechend der ersten Ausführungsform zeigt;

9A stellt eine Tabelle dar, welche Einstellwerte für Parameter zeigt, die bei einem an der Schubkraftzuteilungsvorrichtung entsprechend der ersten Ausführungsform ausgeführten Experiment genutzt wurden;

9B stellt eine Tabelle dar, welche Einstellwerte für Koeffizienten zeigt, die bei einem an der Schubkraftzuteilungsvorrichtung entsprechend der ersten Ausführungsform ausgeführten Experiment genutzt wurden;

Die 10A und 10B sind grafische Darstellungen, welche Ergebnisse des Experiments zeigen, das an der Schubkraftzuteilungsvorrichtung entsprechend der ersten Ausführungsform ausgeführt wurde, sowie eine Änderung der Propellerschubkräfte von Schubgeneratoren im Zeitverlauf;

10C ist eine grafische Darstellung, die ein Ergebnis des Experiments zeigt, das an der Schubkraftzuteilungsvorrichtung entsprechend der ersten Ausführungsform ausgeführt wurde, sowie die Änderung der Ruderwinkel der Ruder im Zeitverlauf;

10D ist eine grafische Darstellung, die ein Ergebnis des Experiments zeigt, das an der Schubkraftzuteilungsvorrichtung entsprechend der ersten Ausführungsform ausgeführt wurde, sowie die Änderung der Ruderwinkelgeschwindigkeiten (Rudergeschwindigkeiten) der Ruder im Zeitverlauf;

11A ist eine grafische Darstellung, die ein Beispiel für ein Ergebnis des Experiments zeigt, das an der Schubkraftzuteilungsvorrichtung entsprechend der ersten Ausführungsform ausgeführt wurde, sowie eine Änderung einer longitudinalen Komponente einer Schubkraft des gesamten Schiffes im Zeitverlauf;

11B ist eine grafische Darstellung, die ein Beispiel für das Ergebnis des Experiments zeigt, das an der Schubkraftzuteilungsvorrichtung entsprechend der ersten Ausführungsform ausgeführt wurde, sowie eine Änderung einer lateralen Komponente der Schubkraft des gesamten Schiffes im Zeitverlauf;

11C ist eine grafische Darstellung, die ein Beispiel für das Ergebnis des Experiments zeigt, das an der Schubkraftzuteilungsvorrichtung entsprechend der ersten Ausführungsform ausgeführt wurde, sowie eine Änderung eines Schubmoments in einer Drehrichtung des gesamten Schiffes im Zeitverlauf;

11D ist eine grafische Darstellung, die ein Beispiel für das Ergebnis des Experiments zeigt, das an der Schubkraftzuteilungsvorrichtung entsprechend der ersten Ausführungsform ausgeführt wurde, sowie eine Änderung der Gesamtfehler in einem Schubkraftberechnungsprozess im Zeitverlauf;

Die 12A und 12B sind grafische Darstellungen, die ein weiteres Ergebnis des Experiments zeigen, das an der Schubkraftzuteilungsvorrichtung entsprechend der ersten Ausführungsform ausgeführt wurde, sowie eine Änderung der Propellerschubkräfte der Schubgeneratoren im Zeitverlauf;

12C ist eine grafische Darstellung, die ein weiteres Ergebnis des Experiments zeigt, das an der Schubkraftzuteilungsvorrichtung entsprechend der ersten Ausführungsform ausgeführt wurde, sowie die Änderungen der Ruderwinkel der Ruder im Zeitverlauf;

12D ist eine grafische Darstellung, die ein weiteres Ergebnis des Experiments zeigt, das an der Schubkraftzuteilungsvorrichtung entsprechend der ersten Ausführungsform ausgeführt wurde, sowie die Änderung der Ruderwinkelgeschwindigkeiten (Rudergeschwindigkeiten) der Ruder im Zeitverlauf;

13A ist eine grafische Darstellung, die ein weiteres Beispiel für ein Ergebnis des Experiments zeigt, das an der Schubkraftzuteilungsvorrichtung entsprechend der ersten Ausführungsform ausgeführt wurde, sowie eine Änderung einer longitudinalen Komponente der Schubkraft des gesamten Schiffes im Zeitverlauf;

13B ist eine grafische Darstellung, die ein weiteres Beispiel für das Ergebnis des Experiments zeigt, das an der Schubkraftzuteilungsvorrichtung entsprechend der ersten Ausführungsform ausgeführt wurde, sowie eine Änderung einer lateralen Komponente der Schubkraft des gesamten Schiffes im Zeitverlauf;

13C ist eine grafische Darstellung, die ein weiteres Beispiel für das Ergebnis des Experiments zeigt, das an der Schubkraftzuteilungsvorrichtung entsprechend der ersten Ausführungsform ausgeführt wurde, sowie eine Änderung eines Schubmoments in der Drehrichtung des gesamten Schiffes im Zeitverlauf;

13D ist eine grafische Darstellung, die ein weiteres Beispiel für das Ergebnis des Experiments zeigt, das an der Schubkraftzuteilungsvorrichtung an der Schubkraftzuteilungsvorrichtung entsprechend der ersten Ausführungsform ausgeführt wurde, sowie eine Änderung der Gesamtfehler in einem Schubkraftberechnungsprozess entsprechend der ersten Ausführungsform im Zeitverlauf;

14 stellt eine schematische Draufsicht dar, die ein Beispiel für einen Aufbau eines mit einer Schubkraftzuteilungsvorrichtung ausgerüsteten Schiffes entsprechend einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt;

15 stellt ein Blockdiagramm dar, welches den Aufbau des mit der Schubkraftzuteilungsvorrichtung ausgerüsteten Schiffes entsprechend der zweiten Ausführungsform zeigt;

16 stellt eine schematische Ansicht dar, die eine Position und einen Drehwinkel eines drehbaren Schubgenerators zeigt;

17 stellt eine schematische Draufsicht dar, die ein Konzept des Experiments 1 zeigt;

18 stellt eine schematische Draufsicht dar, die ein Ergebnis des Experiments 1 zeigt;

19 ist eine grafische Darstellung, die Zeitreihenänderungen von Änderungsgeschwindigkeiten der Propellerschubkräfte der Schubgeneratoren in dem Experiment 1 zeigt;

20 ist eine grafische Darstellung, die Zeitreihenänderungen bei den Propellerschubkräften der Schubgeneratoren in dem Experiment 1 zeigt;

21 ist eine grafische Darstellung, die Zeitreihenänderungen bei den Drehwinkelgeschwindigkeiten (Drehgeschwindigkeiten) der Schubgeneratoren in dem Experiment 1 zeigt;

22 ist eine grafische Darstellung, die Zeitreihenänderungen bei den Drehwinkeln der Schubgeneratoren in dem Experiment 1 zeigt;

23 ist eine grafische Darstellung, die eine Zeitreihenänderung einer longitudinalen Komponente der Schubkraft für das gesamte Schiff in dem Experiment 1 zeigt;

24 ist eine grafische Darstellung, die eine Zeitreihenänderung einer lateralen Komponente der Schubkraft für das gesamte Schiff in dem Experiment 1 zeigt;

25 ist eine grafische Darstellung, die eine Zeitreihenänderung eines Schubmoments in der Drehrichtung für das gesamte Schiff in dem Experiment 1 zeigt;

26 stellt eine schematische Draufsicht zur Erklärung eines Konzepts für ein Experiment 2 dar;

27 ist eine schematische Draufsicht, die ein Ergebnis des Experiments 2 zeigt;

28 ist eine grafische Darstellung, die eine Zeitreihenänderung von Änderungsgeschwindigkeiten der Propellerschubkräfte der Schubgeneratoren in dem Experiment 2 zeigt;

29 ist eine grafische Darstellung, die eine Zeitreihenänderung bei den Propellerschubkräften der Schubgeneratoren in dem Experiment 2 zeigt;

30 ist eine grafische Darstellung, die eine Zeitreihenänderung bei den Drehwinkelgeschwindigkeiten (Drehgeschwindigkeiten) der Schubgeneratoren in dem Experiment 2 zeigt;

31 ist eine grafische Darstellung, die Zeitreihenänderungen bei den Drehwinkeln der Schubgeneratoren in dem Experiment 2 zeigt;

32 ist eine grafische Darstellung, die eine Zeitreihenänderung einer longitudinalen Komponente der Schubkraft für das gesamte Schiff in dem Experiment 2 zeigt;

33 ist eine grafische Darstellung, die eine Zeitreihenänderung einer lateralen Komponente der Schubkraft für das gesamte Schiff in dem Experiment 2 zeigt; und

34 ist eine grafische Darstellung, die eine Zeitreihenänderung bei einem Schubmoment in der Drehrichtung für das gesamte Schiff in dem Experiment 2 zeigt.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Im Nachfolgenden werden Ausführungsformen einer Schubkraftzuteilungsvorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Ausführungsform 1

1 stellt eine schematische Ansicht dar, die einen Aufbau eines mit einer Schubkraftzuteilungsvorrichtung ausgerüsteten Schiffes entsprechend einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt. Nehmen wir nun auf 1 Bezug, so ist das Schiff 10 mit drei Schubgeneratoren 1, 2 und 3 ausgerüstet. Der Schubgenerator 1 stellt ein so genanntes Bugstrahlruder dar, das an einer Bugseite des Schiffs 10 vorgesehen ist und dafür ausgelegt ist, eine Schubkraft in einer lateralen Richtung eines Rumpfes des Schiffs 10 zu erzeugen, wie durch einen Pfeil Y angegeben ist.

Der Schubgenerator 2 weist einen Propeller 21 und ein hinter dem Propeller 21 vorgesehenes Ruder 22 auf, und der Schubgenerator 3 weist einen Propeller 31 und ein hinter dem Propeller 31 vorgesehenes Ruder 32 auf. Der Schubgenerator 2 ist an einer linken Seite an einem Heckteil angeordnet, und der Schubgenerator 3 ist auf einer rechten Seite des Heckteils angeordnet. Die Propeller 21 und 31 sind jeweils um eine Rotationsachse drehbar, die sich entlang der longitudinalen Richtung des Rumpfes erstreckt. Durch Drehung der Propeller 21 und 31 werden Schubkräfte in der longitudinalen Richtung des Rumpfes erzeugt, wie durch einen Pfeil X angegeben ist. Die Ruder 22 und 32 können jeweils in der lateralen Richtung des Rumpfes gedreht werden. Durch Schrägstellung der Ruder 22 und 32 in Bezug auf die Richtung der Fluidströmung wie beispielsweise Seewasser, das durch die Propeller 21 und 31 nach hinten getragen wird, werden an deren Hauptflächen (Ruderflächen) Ruderkräfte erzeugt. Dadurch werden von den Schubgeneratoren 2 und 3 Schubkräfte in der Richtung senkrecht zu den Neigungswinkeln (Ruderwinkeln) der Ruder 22 und 32 erzeugt.

2 stellt ein Blockdiagramm dar, welches den Aufbau des mit der Schubkraftzuteilungsvorrichtung ausgerüsteten Schiffes 10 entsprechend der ersten Ausführungsform zeigt. Mit Bezugnahme auf 2 umfasst das Schiff 10 zusätzlich zu den Schubgeneratoren 1 bis 3 Antriebseinrichtungen 41 und 42, eine Schubkraftzuteilungsvorrichtung 5, eine Erkennungseinrichtung 6, eine Einstelleinrichtung 7, eine Sollschub-Berechnungseinrichtung 8 und eine Steuerungseinrichtung 9.

Die Antriebseinrichtung 41 ist mit dem Schubgenerator 1 verbunden. Die Antriebseinrichtung 41 umfasst einen Motor, ein Getriebe und dergleichen und ist dafür konfiguriert, den Schubgenerator 1 mit einer gewünschten Geschwindigkeit zu drehen.

Die Antriebseinrichtung 42 ist mit den Schubgeneratoren 2 und 3 verbunden. Die Antriebseinrichtung 42 umfasst einen Motor, ein Getriebe, ein Differentialgetriebe, eine Hydraulikeinheit und dergleichen und ist dafür konfiguriert, die Propeller 21 und 31 mit gewünschten Rotationsgeschwindigkeiten zu drehen und die Ruder 22 und 32 auf gewünschte Ruderwinkel schräg zu stellen. Die Antriebseinrichtung 42 ist außerdem dafür konfiguriert, die Propeller 21 und 31 mit unterschiedlichen Rotationsgeschwindigkeiten zu drehen und die Ruder 22 und 32 in unterschiedlichen Ruderwinkeln schräg zu stellen.

Eine Erkennungseinrichtung 6 umfasst ein Positionserkennungsmittel 61 wie beispielsweise GPS (Global Positioning System) zum Erkennen einer momentanen Position des Schiffs 10, ein Geschwindigkeitserkennungsmittel 62 zum Erfassen einer Schiffsgeschwindigkeit (Grundgeschwindigkeit) des Schiffs 10 sowie ein Steuerkurswinkel-Erkennungsmittel 63 wie beispielsweise einen Kreiselkompass zum Erfassen eines Steuerkurswinkels des Schiffs 10. Die Erkennungseinrichtung 6 ist mit der Sollschub-Berechnungseinrichtung 8 verbunden und ist dafür konfiguriert, die erfasste momentane Position, die Schiffsgeschwindigkeit und den Steuerkurswinkel des Schiffs 10 an die Sollschub-Berechnungseinrichtung 8 auszugeben.

Die Einstelleinrichtung 7 ist dafür konfiguriert, eine Position, eine Schiffsgeschwindigkeit und einen Steuerkurswinkel des Schiffs 10 einzustellen. Die Einstelleinrichtung 7 weist eine (nicht gezeigte) Betriebseinheit auf. Ein Bediener (Steuermann) oder dergleichen bedient die Betriebseinheit, um die Position, die Schiffsgeschwindigkeit und den Steuerkurswinkel des Schiffs 10 einzustellen, dies stellt jedoch nur ein veranschaulichendes Beispiel dar. Alternativ kann die Einstelleinrichtung 7 dafür konfiguriert sein, die Position, die Schiffsgeschwindigkeit und den Steuerkurswinkel des Schiffs 10 automatisch einzustellen.

Die Einstelleinrichtung 7 ist mit der Sollschub-Berechnungseinrichtung 8 verbunden und ist dafür konfiguriert, die eingestellte Position, die eingestellte Schiffsgeschwindigkeit und den eingestellten Steuerkurswinkel des Schiffs 10 an die Sollschub-Berechnungseinrichtung 8 auszugeben.

Die Sollschub-Berechnungseinrichtung 8 umfasst eine CPU, einen ROM, einen RAM und dergleichen und ist dafür konfiguriert, eine longitudinale Komponente und eine laterale Komponente eines Sollschubs für das gesamte Schiff 10 zu berechnen sowie ein Sollschubmoment in einer Drehrichtung des Schiffs 10 zu berechnen, und zwar basierend auf der momentanen Position, der momentanen Schiffsgeschwindigkeit und dem momentanen Steuerkurswinkel des Schiffs 10, die von der Erkennungseinrichtung 6 eingegeben werden, sowie der Position, der Schiffsgeschwindigkeit und dem Steuerkurswinkel des Schiffs 10, diee von der Einstelleinrichtung 7 eingegeben werden. Die Sollschub-Berechnungseinrichtung 8 ist mit der Schubkraftzuteilungsvorrichtung 5 verbunden und ist dafür konfiguriert, die berechnete longitudinale Komponente und laterale Komponente des Sollschubs sowie das berechnete Sollschubmoment in der Drehrichtung an die Schubkraftzuteilungsvorrichtung 5 auszugeben.

Obgleich die longitudinale Komponente und die laterale Komponente des Sollschubs sowie das Sollschubmoment in der Drehrichtung, die von der Sollschub-Berechnungseinrichtung 8 berechnet werden, in die Schubkraftzuteilungsvorrichtung 5 eingegeben werden, kann der Bediener diese gleichermaßen auch direkt in die Schubkraftzuteilungsvorrichtung 5 eingeben, und zwar mit einer Eingabeeinrichtung wie beispielsweise einem Joystick.

Wie später noch beschrieben wird, ist die Schubkraftzuteilungsvorrichtung 5 dafür konfiguriert, Propellerschubkräfte für die Schubgeneratoren 1 bis 3 sowie Ruderwinkel für die Ruder 22 und 32 basierend auf der longitudinalen Komponente und der lateralen Komponente des Sollschubs sowie dem Sollschubmoment in der Drehrichtung, welche von der Sollschub-Berechnungseinrichtung 8 eingegeben werden, zu berechnen. Die Schubkraftzuteilungsvorrichtung 5 ist mit der Steuerungseinrichtung 9 verbunden und ist dafür konfiguriert, die berechneten Propellerschubkräfte und Ruderwinkel an die Steuerungseinrichtung 9 auszugeben.

Die Steuerungseinrichtung 9 ist mit den Antriebseinrichtungen 41 und 42 verbunden. Das Schiff 10 ist mit Rotationsgeschwindigkeitssensoren ausgerüstet, um eine Rotationsgeschwindigkeit eines Propellers des Schubgenerators 1 sowie die Rotationsgeschwindigkeiten der Propeller 21 und 31 der Schubgeneratoren 2 und 3 zu erfassen, sowie mit Ruderwinkelsensoren, um die Ruderwinkel der Ruder 22 und 32 zu erfassen. Die Rotationsgeschwindigkeitssensoren und die Ruderwinkelsensoren sind mit der Steuerungseinrichtung 9 verbunden und sind dafür konfiguriert, die erfassten Rotationsgeschwindigkeiten und Ruderwinkel an die Steuerungseinrichtung 9 auszugeben.

Die Steuerungseinrichtung 9 umfasst eine CPU, einen ROM, einen RAM und dergleichen. Die Steuerungseinrichtung 9 ist dafür konfiguriert, die Propellerschubkräfte und Ruderwinkel der Schubgeneratoren 1 bis 3 mit Hilfe von beispielsweise einer PID-Regelung in solcher Weise zu regeln, dass die Propellerschubkräfte und die Ruderwinkel im Wesentlichen den Propellerschubkräften und Ruderwinkeln entsprechen, die von der Schubkraftzuteilungsvorrichtung 5 ausgegeben werden, und zwar basierend auf den Propellerschubkräften und den Ruderwinkeln, die von der Schubkraftzuteilungsvorrichtung 5 eingegeben werden, sowie den momentanen Propeller-Rotationsgeschwindigkeiten und Ruderwinkeln, die von den Sensoren eingegeben werden. Die Steuerungseinrichtung 9 ist dafür konfiguriert, Steuersignale an die Antriebseinrichtungen 41 und 42 auszugeben, welche die Schubgeneratoren 1 bis 3 antreiben.

Ferner ist die Steuerungseinrichtung 9 dafür konfiguriert zu bewerten, ob die Propellerschubkräfte und Ruderwinkel der Schubgeneratoren 1 bis 3, welche von den Sensoren gemessen werden, im Wesentlichen den Propellerschubkräften und Ruderwinkeln entsprechen, die von der Schubkraftzuteilungsvorrichtung 5 eingegeben werden. Wenn bewertet wird, dass eine dieser Größen nicht der entsprechenden gemäß ist, bewertet die Steuerungseinrichtung 9, dass ein Fehler in dem entsprechenden Schubgenerator aufgetreten ist, und gibt Informationen aus, welche der Schubkraftzuteilungsvorrichtung 5 das Auftreten eines Fehlers anzeigen.

Im Nachfolgenden soll eine Konfiguration der Schubkraftzuteilungsvorrichtung 5 detaillierter beschrieben werden. Die Schubkraftzuteilungsvorrichtung 5 umfasst eine CPU 51, einen ROM 52, einen RAM 53 und eine Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle 54.

Der ROM 52 enthält Computerprogramme und Daten oder dergleichen, die in Computerprogrammen genutzt werden sollen. Die CPU 51 ist dafür konfiguriert, die in dem ROM 52 gespeicherten Computerprogramme oder das in den RAM 53 geladene Computerprogramm auszuführen. Der RAM 53 wird als Arbeitsbereich genutzt, wenn die CPU 51 das Computerprogramm ausführt.

Die CPU 51, der ROM 52, der RAM 53 und die Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle 54 sind untereinander über Busse verbunden, um eine Datenübertragung untereinander zu ermöglichen. Die Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle 54 ist mit der Sollschub-Berechnungseinrichtung 8 und der Steuerungseinrichtung 9 verbunden, um zu ermöglichen, verschiedene Daten zwischen der Schnittstelle 54 und der Sollschub-Berechnungseinrichtung 8 sowie der Steuerungseinrichtung 9 zu senden und zu empfangen.

3 stellt ein Ablaufdiagramm dar, das den Ablauf eines Berechnungsprozesses der Schubkraftzuteilungsvorrichtung entsprechend der ersten Ausführungsform zeigt. Die CPU 51 führt das Computerprogramm aus, und dadurch führt die Schubkraftzuteilungsvorrichtung 5 den nachstehend beschriebenen Prozess aus.

Zunächst erhält die CPU 51 die longitudinale Komponente und die laterale Komponente der Sollschubkraft für das Schiff 10 sowie das Sollschubmoment in der Drehrichtung des Schiffs 10 (Schritt S1). Die CPU 51 führt diesen Prozess unter Bezugnahme auf Signalwerte aus, die von der Sollschub-Berechnungseinrichtung 8 ausgegeben werden und von der Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle 54 empfangen werden.

Danach erkennt die CPU 51 das Auftreten des Fehlers in den Schubgeneratoren 1 bis 3 (Schritt S2). Die CPU 51 führt diesen Prozess aus, indem sie Informationen erhält, die das Fehlerereignis anzeigen, welche die Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle 54 von der Steuerungseinrichtung 9 erhalten hat. Bei Erhalt solcher Informationen bewertet die CPU 51, dass ein Fehler in dem Schubgenerator aufgetreten ist, der durch diese Informationen identifiziert wird.

Wenn in Schritt S2 bewertet wird, dass in keinem der Schubgeneratoren 1 bis 3 ein Fehler erkannt worden ist, geht die CPU 51 in dem Prozess zu Schritt S4 über. Wenn andererseits in Schritt 2 bewertet wird, dass der Fehler in einem der Schubgeneratoren 1 bis 3 erkannt worden ist, verändert die CPU 51 den entsprechenden Wichtungsfaktor (Schritt S3). Die CPU 51 erhöht denjenigen Wichtungsfaktor unter den Wichtungsfaktoren sf1, sf2, r1 bis r5, q1, q2 aus einer Formel (30), die später erwähnt wird, welcher dem Schubgenerator zugeordnet ist, in welchem der Fehler aufgetreten ist, deutlich.

Die CPU 51 berechnet Propellerschubkräfte für die Schubgeneratoren 1 bis 3 und Ruderwinkel für die Ruder 22 und 32 basierend auf der longitudinalen Komponente und der lateralen Komponente der Sollschubkraft und des Sollschubmoments in der Drehrichtung, welche in Schritt S1 erhalten worden sind (Schritt S4).

Die CPU 51 gibt die Propellerschubkräfte und Ruderwinkel, die in Schritt S4 berechnet worden sind, über die Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle 54 an die Steuerungseinrichtung 9 aus (Schritt S5) und kehrt mit dem Prozess zu Schritt S1 zurück.

Der in Schritt S4 ausgeführte Schubkraftberechnungsprozess basiert auf einem Schubkraftgleichgewicht, das durch Formeln (24) bis (26) dargestellt wird, d. h. ein Funktionsmodell für das Schiff 10, sowie einem Leistungsindex, der durch die Formel (30) dargestellt wird. p11[u2(t) – pr1&eegr;{u2(t)}&ngr;{x1(t)}] + p12[u3(t) – pr2&eegr;{u3(t)}&ngr;{x2(t)}] = X(24) p21u1(t) + [p22&eegr;{u2(t)}x1(t) + p23&eegr;{u3(t)}x2(t)] = Y(25) p31u1(t) + [p32&eegr;{u2(t)}x1(t) + p33&eegr;{u3(t)}x2(t)] + p34[u2(t) – pr1&eegr;{u2(t)}&ngr;{x1(t)}] + p35[u3(t) – pr2&eegr;{u3(t)}&ngr;{x2(t)}] = N(25) wobei:

u1(t)
= eine normierte Propellerschubkraft für den Schubgenerator 1 ist,
u2(t)
= eine normierte Propellerschubkraft für den Schubgenerator 2 ist,
u3(t)
= eine normierte Propellerschubkraft für den Schubgenerator 3 ist,
x1(t)
= ein normierter Ruderwinkel für den Schubgenerator 2 ist,
x2(t)
= ein normierter Ruderwinkel für den Schubgenerator 3 ist,
p11 bis p35
= vorgegebene Koeffizienten sind,
&eegr;(x)
= eine Funktion ist, die durch eine Formel (27) dargestellt wird,
v(x
= eine Funktion ist, die durch eine Formel (28) dargestellt wird,
X
= eine longitudinale Komponente einer Schubkraft des Schiffs 10 ist,
Y
= eine laterale Komponente einer Schubkraft des Schiffs 10 ist,
N
= ein Schubmoment in einer Drehrichtung des Schiffs 10 ist.
wobei:
k1
= eine Konstante ist.
wobei:
k2
= eine Konstante ist.

Eine Rudergeschwindigkeit u4(t) des Ruders 22 des Schubgenerators 2 und eine Rudergeschwindigkeit u5(t) des Ruders 32 des Schubgenerators 3 sind durch eine Formel (29) gegeben:

wobei:
sf1 und sf2
= Wichtungsfaktoren sind,
r1 bis r5
= Wichtungsfaktoren sind,
q1 und q2
= Wichtungsfaktoren sind,
&agr;
= eine Konstante ist, die einen neutralen Punkt des Ruderwinkels definiert.

Die Formel (24) ist wie nachfolgend beschrieben aus der Formel (1) abgeleitet. Generell wird als die longitudinale Komponente der von dem Schubgenerator 2 erzeugten Schubkraft die von dem Propeller 21 erzeugte Schubkraft u2(t) abzüglich eines durch das Ruder 22 erzeugten Verlusts betrachtet. Wenn der Ruderwinkel x1(t) für das Ruder 22 gleich null ist, erzeugt das Ruder 22 im Wesentlichen keine Ruderkraft in Bezug auf die Fluidströmung, die durch den Propeller 21 nach hinten getragen wird, und daher wird die von dem Propeller 21 erzeugte Schubkraft u2(t) im Wesentlichen die longitudinale Komponente der von dem Schubgenerator 2 erzeugten Schubkraft. Wenn andererseits der Ruderwinkel x1(t) des Ruders 22 ungleich null ist, erzeugt das Ruder 22 die Ruderkraft in Bezug auf die Fluidströmung, die von dem Propeller 21 nach hinten getragen wird, und auf dessen Ruderfläche wird ein Widerstand erzeugt. Daher wird bei der longitudinalen Komponente der von dem Schubgenerator 2 erzeugten Schubkraft ein Verlust entsprechend der lateralen Komponente erzeugt.

Ein solcher Verlust wird nicht erzeugt, wenn der Propeller 21 in der Rückrichtung dreht, um die Schubkraft vorwärts zu erzeugen. Zum Modellieren der nichtlinearen Charakteristik des Schubgenerators 2 werden bei der ersten Ausführungsform die Funktionen &eegr;(x) und v(x) genutzt. 4A ist eine grafische Darstellung, welche die Funktion &eegr;(x) zeigt, und 4B ist eine grafische Darstellung, welche die Funktion v(x) zeigt. Wie in 4A gezeigt ist, nähert die Funktion &eegr;(x) die durch eine Formel (31) gegebene Funktion &eegr;1(x) so an, dass sie um X = 0 herum geglättet ist.

Wie in 4B gezeigt ist, nähert die Funktion v(x) die durch die Formel (32) gegebene Funktion v1(x) so an, dass sie um X = 0 herum geglättet ist.

Daher ist ein erster Term auf einer linken Seite der Formel (24) im Wesentlichen gleich p11u2(t), wenn u2(t) negativ ist, und ist im Wesentlichen gleich p11[u2(t) – pr1u2(t) |x1(t)|] , wenn u2(t) positiv ist. Hierbei ist x1(t) der Ruderwinkel, der die von dem Schubgenerator 2 erzeugte laterale Komponente (laterale Ruderkraft) der Schubkraft repräsentiert, durch u2(t)x1(t). Die Konstante p11 wird basierend auf der Gestalt oder dergleichen des Propellers 21 bestimmt.

Wie zu erkennen sein sollte, wird der erste Term auf der linken Seite der Formel (24) erhalten durch Modellierung der nichtlinearen Charakteristik der longitudinalen Komponente der von dem Schubgenerator 2 erzeugten Schubkraft. Mit anderen Worten ist die Formel (24) derart beschaffen, dass n in der Formel (1) gleich 3 ist und die longitudinale Komponente der von dem Schubgenerator 1 erzeugten Schubkraft null ist. Die Formel (24) ist außerdem derart beschaffen, dass ein Gleichgewicht der longitudinalen Komponente der Schubkraft des Schiffs 10 basierend auf den nichtlinearen Charakteristika der Schubgeneratoren 2 und 3 modelliert wird. Der Schubgenerator 3 wird nicht eingehender beschrieben.

Eine Formel (25) ist gegeben durch Ersetzten von n in der Formel (2) durch 3 und Darstellen von fy1, fy2 und fy3 durch Formeln (33) bis (35). fy1 = p21u1(t)(33) fy2 = p22&eegr;{u2(t)}x1(t)(34) fy3 = p23&eegr;{u3(t)}x2(t)(35)

Wie vorstehend beschrieben, wird, da der Schubgenerator 1 derart konfiguriert ist, dass sich der Propeller in der lateralen Richtung des Rumpfes des Schiffs 10 erstreckt und kein Mittel zum Erzeugen einer Ruderkraft wie beispielsweise ein Ruder aufweist, ein großer Teil der Schubkraft in der lateralen Richtung des Schiffs 10 erzeugt. Daraus folgt, dass die Schubkraft u1(t), die von dem Propeller des Schubgenerators 1 erzeugt wird, im Wesentlichen die laterale Komponente fy1 der Schubkraft wird, die von dem Schubgenerator 1 erzeugt wird. Daher wird eine Charakteristik, die mit der lateralen Komponente der von dem Schubgenerator 1 erzeugten Schubkraft in Zusammenhang steht, durch die Formel (33) dargestellt.

Zugleich wird, da der Schubgenerator 2 mit dem Ruder 22 ausgerüstet ist, eine Schubkraft entsprechend der lateralen Ruderkraft u2(t)x1(t) die laterale Komponente fy2 der Schubkraft. Eine Charakteristik, die mit der lateralen Komponente der von dem Schubgenerator 2 erzeugten Schubkraft in Zusammenhang steht, wird durch die Formel (34) dargestellt. Da die Konfiguration des Schubgenerators 3 im Wesentlichen mit der des Schubgenerators 2 identisch ist, ist eine Charakteristik, die mit der lateralen Komponente der von dem Schubgenerator 3 erzeugten Schubkraft in Zusammenhang steht, welche durch eine Formel (35) dargestellt wird, analog der Formel (34).

Die Formel (26) ist gegeben, indem in der Formel (3) n durch 3 ersetzt wird und indem k12, k22, k13, k23 wie nachstehend beschrieben dargestellt werden. Was den Schubgenerator 1 betrifft, so wird eine Formel (36) aus den Formeln (3) und (26) abgeleitet. k11fx1 + k21fy1 = p31u1(t)(36)

Aus der vorstehend erwähnten Charakteristik für den Schubgenerator 1 folgt fx1 = 0. Außerdem wird aus den Formeln (36) und (33) k21 in einer Formel (37) abgeleitet.

Was den Schubgenerator 2 betrifft, so wird aus den Formeln (3) und (26) eine Formel (38) abgeleitet. k12fx2 + k22fy2 = p34[u2(t) – pr1&eegr;{u2(t)}&ngr;{x1(t)}] + p32&eegr;{u2(t)}x1(t)(38)

Aus den Formeln (24) und (34) wird eine Formel (39) abgeleitet. k12fx2 + k22fy2 = k12p11[u2(t) – pr1&eegr;{u2(t)}&ngr;{x1(t)] + k22p22&eegr;{u2(t)}x1(t)(39)

Aus den Formeln (38) und (39) werden k12 und k22 in Formeln (40) und (41) abgeleitet.

Da die Konfiguration des Schubgenerators 3 im Wesentlichen mit der des Schubgenerators 2 identisch ist, werden k13 und k23 in Formeln (42) und (43) in der gleichen Weise abgeleitet.

Bei der ersten Ausführungsform wurde beschrieben, wie die Formeln (24) bis (26) unter der Annahme abgeleitet werden, dass der Schubgenerator 2 aus dem Propeller 21 und dem Ruder 22 besteht und der Schubgenerator 3 aus dem Propeller 31 und dem Ruder 32 besteht. Alternativ werden die Formeln (24) bis (26) unter der Annahme abgeleitet, dass der Propeller und das Ruder unabhängige Schubgeneratoren darstellen, wie nachstehend beschrieben wird.

In diesem Fall wird angenommen, dass der Propeller 21 den Schubgenerator 2 darstellt, der Propeller 31 den Schubgenerator 3 darstellt, das Ruder 22 einen Schubgenerator 4 darstellt und das Ruder 32 einen Schubgenerator 5 darstellt. Es sollte erkannt werden, dass das Ruder an sich keinen Schub erzeugt, eine durch das Ruder erzeugte Wirkung, zum Beispiel eine Ruderkraft, wird jedoch als eine Art von Schub angesehen und daher wird das Ruder als Schubgenerator behandelt.

Zunächst sind die longitudinalen Komponenten fx1 bis fx5 für die von den Schubgeneratoren 1 bis 5 erzeugten Schubkräfte durch Formeln (44) bis (48) gegeben. fx1 = 0(44) fx2 = p11u2(t)(45) fx3 = p12u3(t)(46) fx4 = p11pr1&eegr;{u2(t)}&ngr;{x1(t)}](47) fx5 = p12pr2&eegr;{u3(t)}&ngr;{x2(t)}](48)

Die longitudinalen Komponenten fx4 und fx5 der von den Schubgeneratoren 4 und 5 erzeugten Schubkräfte werden als die zuvor erwähnten Verluste der Schubkräfte betrachtet und sind daher durch die Formeln (47) und (48) gegeben. Aus der Formel (1) und den Formeln (44) bis (48) wird die Formel (24) abgeleitet.

Die lateralen Komponenten fy1 bis fy5 der von den Schubgeneratoren 1 bis 5 erzeugten Schubkräfte sind durch Formeln (49) bis (53) gegeben. fy1 = p21u1(t)(49) fy2 = 0(50) fy3 = 0(51) fy4 = p22&eegr;{u2(t)}x1(t)(52) fy5 = p23&eegr;{u3(t)}x2(t)(53)

Hierbei werden die lateralen Komponenten fy4 und fy5 der von den Schubgeneratoren 4 und 5 erzeugten Schubkräfte als die zuvor beschriebenen Ruderkräfte betrachtet und sind daher durch die Formeln (52) und (53) gegeben. Aus der Formel (2) und den Formeln (49) bis (53) wird die Formel (25) abgeleitet.

5 stellt eine schematische Draufsicht dar, die eine Lagebeziehung der Schubgeneratoren 1 bis 5 an dem Schiff 10 zeigt. In 5 ist ein &zgr;-&xgr;-Koordinatensystem mit einem Mittelpunkt des Rumpfes des Schiffs 10 als Ursprungspunkt gezeigt, wobei sich die &zgr;-Achse von dem Ursprungspunkt zum Bug hin erstreckt und sich die &xgr;-Achse von dem Ursprungspunkt zur rechten Seite hin erstreckt. Hierbei sind (k2i, k1i) (i = 1 bis 5) Koordinaten in dem &zgr;-&xgr;-Koordinatensystem des Schubgenerators i. Aus k11 bis k15, k21 bis k25, fx1 bis fx5, fy1 bis fy5 und der Formel (3) wird die Formel (26) abgeleitet.

Auf diese Weise wird unter der Annahme, dass der Propeller und das Ruder unabhängige Schubgeneratoren darstellen, das Gleichgewicht der Schubkräfte in den Formeln (24) bis (26) erhalten.

Eine Konstante &agr;, die in der Formel (30) einen neutralen Punkt des Ruderwinkels definiert, soll nun beschrieben werden. Die 6A und 6B stellen schematische Ansichten dar, die Zustände der Ruder 22 und 32 zeigen. An dem Schiff 10 können die Ruder 22 und 32 in einem vorgegebenen Winkel nach innen geneigt werden, sodass sie im Wesentlichen eine V-Form bilden, wie in 6A gezeigt ist, oder sie können in einem vorgegebenen Winkel nach außen geneigt werden, sodass sie im Wesentlichen eine umgekehrte V-Form bilden, wie in 6B gezeigt ist. Im Nachfolgenden wird der Zustand aus 6A als V-Ruder bezeichnet, und der Zustand aus 6B wird als ungekehrtes V-Ruder bezeichnet. Durch Schrägstellen der Ruder 22 und 32 in einem gleichen Winkel in entgegengesetzten Richtungen in dieser Weise heben sich die laterale Ruderkraft des Ruders 22 und die laterale Ruderkraft des Ruders 32 gegeneinander auf, und die lateralen Schubkräfte der Schubgeneratoren 2 und 3 werden in dem Schiff 10 als Ganzes nicht erzeugt. Dementsprechend stellt &agr; in der Formel (30) einen normierten Wert für den Ruderwinkel des Ruders 22 in der V-Form oder der umgekehrten V-Form dar. Damit ist der neutrale Punkt für den Ruderwinkel in der V-Form oder der umgekehrten V-Form definiert. Wenn die V-Ruder oder die umgekehrten V-Ruder eingestellt sind, wird durch Erzeugen eines Propeller-Vorwärtsschubs unmittelbar eine laterale Ruderkraft erzeugt, selbst wenn die Rudergeschwindigkeit gering ist.

Ferner gibt es für die Propellerschubkräfte u1(t), u2(t), u3(t) und die Ruderwinkel u4(t) und u5(t) Einschränkungen, die durch die folgende Formel (54) dargestellt werden: |ui(t)| ≦ uim(54) wobei:

i
= 1 bis 5 ist (eine ganze Zahl),
u1m bis u3m
= obere oder untere Grenzwerte für die Propellerschubkräfte der Schubgeneratoren 1 bis 3 sind,
u4m und u5m
= untere und obere Grenzwerte für die Rudergeschwindigkeiten der Ruder 22 und 32 sind.

Somit werden, da für die Propellerschubkräfte der Schubgeneratoren 1 bis 3 und für die Rudergeschwindigkeiten der Ruder 22 und 32 vorgegebene obere und untere Grenzwerte gelten, Modelle der dynamischen Charakteristik für die Schubgeneratoren 1 bis 3 dargestellt, indem sie eine Ungleichungs-Einschränkungsbedingung enthaltend, die durch die Formel (54) dargestellt wird. Die Ungleichungs-Einschränkungsbedingung ist bei der Schubberechnung schwierig zu handhaben und wird daher in eine Gleichungs-Einschränkungsbedingung umgewandelt, die durch eine Formel (55) dargestellt wird: u2i(t) + u2d – u2im = 0(55) wobei:

ud
= eine Scheinvariable ist.

Die Gleichungs-Einschränkungsbedingung der Formel (55) kann durch eine Gleichungs-Einschränkungsbedingung (56) ersetzt werden: ui(t) – uimsin(ud) = 0(56)

Wenn die Gleichungs-Einschränkungsbedingung unter Nutzung der Scheinvariablen verwendet wird, nehmen die unbekannten Variablen zu, was einen Anstieg im Berechnungsumfang bewirkt. Wenn die durch Berechnung erhalte Propellerschubkraft oder Rudergeschwindigkeit den oberen oder unteren Grenzwert übersteigt, wird als Propellerschubkraft oder Rudergeschwindigkeit zwangsläufig der obere oder untere Grenzwert festgesetzt.

Die Wichtungsfaktoren q1 und q2 in der Formel (30) können durch Gewichte qp1 und qp2 ersetzt werden, entsprechend einer Strafmethode, die durch eine Formel (57) dargestellt wird: qpi = qi + kp[max{|xi(t)| – (xim – &dgr;),0}]2(57) wobei:

i
= 1 oder 2 ist,
qi
= der normale Wichtungsfaktor ist,
kp
= ein Koeffizient ist,
xim
= die oberen oder unteren Grenzwerte für die Ruderwinkel der Ruder 22 und 32 sind,
&dgr;
= eine positive Konstante ist.

&dgr; genügt &dgr; < xim. Der zweite Term auf der rechten Seite der Formel (57) stellt einen Abzug zum Einschränken einer Zustandsvariablen xi(t) innerhalb eines Eingrenzungswertes (xim – &dgr;) dar, und kp stellt einen Parameter zum Anpassen der Größe des Abzugs dar. Daher ist qpi gleich dem normalen Wichtungsfaktor qi, wenn die Zustandsvariable xi(t) innerhalb des Grenzwertes (xim – &dgr;) liegt, und qpi ist viel größer als der Wichtungsfaktor qi, wenn die Zustandsvariable xi(t) größer als der Grenzwert (xim – &dgr;) ist. Die Maximierungsfunktion gibt einen größeren Wert von Argumenten aus, und das Quadrat derselben stellt eine differenzierbare glatte Funktion dar. &dgr; stellt den Parameter für eine Ausführung der Anpassung in solcher Weise dar, dass das Gewicht qpi von dem Punkt ab erhöht wird, bevor die Zustandsvariable xi(t) xim übersteigt.

Wenn in Schritt S2 ein Fehler bei einem der Schubgeneratoren 1 bis 3 erkannt worden ist, wird der Wichtungsfaktor, welcher dem Schubgenerator zugeordnete ist, an welchem der Fehler aufgetreten ist, deutlich erhöht, sodass ein Befehlswert zur Schuberzeugung für den Schubgenerator ungefähr null wird. Infolgedessen kann die Schubzuteilung entsprechend auf die verbleibenden normalen Schubgeneratoren erfolgen.

Der Schubberechnungsprozess in Schritt S4 ist zur Berechnung der Propellerschubkräfte u1(t) bis u3(t), der Rudergeschwindigkeiten u4(t) und u5(t) sowie der Ruderwinkel x1(t) und x2(t) vorgesehen, welche das Gleichgewicht für die Schubkräfte erfüllen, das durch die Formeln (24) bis (26) repräsentiert wird, und welche einen Wert für den Leistungsindex aus der Formel (30) minimieren.

Hier soll ein Beispiel des Schubberechnungsprozesses aus Schritt S4 beschrieben werden. Der Einfachheit halber werden die Formeln (24) bis (30) in der Form der Formeln (1) bis (5) sowie (11) dargestellt. x(t) und u(t) sind Vektoren in den Formeln (58) und (59) und definieren eine Funktion C mit einer Formel (60): x(t) ∊ Rm'(58)

Daher werden die Einschränkungsbedingungen der Formeln (1) bis (3) mit Hilfe der Funktion C durch eine Formel (61) dargestellt. C[x(t), u(t)] = 0(61)

Bei diesem Beispiel wird der Schubberechnungsprozess in solcher Weise ausgeführt, dass ein Auswertungsintervall T in N Schritte unterteilt wird und ein diskretes und approximatives Folgeproblem gelöst wird. C[x*j(t), u*j(t)] = 0(62) x*j+1(t) = x*j(t) + g[x*j(t), u*j(t)] = &Dgr;&tgr;(63) x*0(t) = x(t)(64)

In diesen Formeln stellt x*j(t) den Zustand eines j-ten Schrittes in dem diskreten und approximativen System unter der Bedingung dar, bei welcher x(t) einen Anfangszustand darstellt. Wenn &Dgr;&tgr; = T/N ist, dann ist x*j(t) x(t + j&Dgr;&tgr;).

In diesem Fall müssen die Formeln (66) bis (68) erfüllt sein. Hierbei stellen die tiefgestellten Indizes ein partielles Differential dar. Hu[x*j(t), &lgr;*j+1(t), u*j(t)] = 0(66) &lgr;*j(t) = &lgr;*j+1(t) + HTx[x*j(t), &lgr;*j+1(t), u*j(t)]&Dgr;&tgr;(67) &lgr;*N(t) = ϕTx[x*N(t)](68)

H stellt die Hamiltonfunktion dar, die durch eine Formel (69) definiert ist. H(x,&lgr;,u) = L(x,u) + &lgr;Tg(x,u) + &rgr;T C(x,u)(69)

Ein Vektor U, der eine Abfolge von Stellgrößen als unbekannte Variablen integriert, ist folgendermaßen definiert: U(t)[u*T0(t) u*T1(t)...u*TN(t)]T∊ RmN(70)

Wenn U(t) und x(t) gegeben sind, wird die Formel (66) als eine Gleichung betrachtet, die mit x(t) und U(t) in Zusammenhang steht, wie beispielsweise eine Formel (71).

Um U(t) zu aktualisieren, damit G(U, x, t) gegen null konvergiert, wird eine Formel (72) definiert: Ġ(U,x,t) = –&zgr;G(U,x,t)(72) wobei:

&zgr;
= eine positive reelle Zahl ist.

Wenn die Jacobi-Determinante Gu regulär ist, wird eine Differentialgleichung mit einer Formel (73) integriert, wobei U(t) aktualisiert wird. U. = G-1U(–&zgr;G – Gxẋ – Gt)(73)

Danach wird ein Produkt aus den Vektoren W und w und der reellen Zahl &ohgr;, die durch die Formeln (74) bis (76) dargestellt werden, mit Hilfe einer Vorwärtsdifferenz approximiert, wie durch eine Formel (77) dargestellt wird. W ∊ RmN(74)

wobei:
&bgr;
= eine positive reelle Zahl ist.

Die Formel (72) wird durch eine Formel (78) approximiert, welche einer Formel (79) äquivalent ist, D&bgr;G(U,x,t : U,x,1) = –&zgr;G(U.,ẋ,t)(78) wobei beachtet werden sollte, dass b in einer Formel (80) definiert ist. D&bgr;G(U,x + &bgr;ẋ, t + &bgr; : U.,0,0) = b(U,x,ẋ,t)(79) b(U,x,ẋ,t) = –&zgr;F(U,x,t) – D&bgr;G(U,x,t : 0,x,1)(80)

Daher kann basierend auf der Formel (79), U(t) berechnet werden. Ein Beispiel des Berechnungsprozesses soll hier beschrieben werden. Die 7 und 8 stellen Ablaufdiagramme dar, welche das Beispiel für eine Prozedur des Schubberechnungsprozesses zeigen. Bezug nehmend auf die 7 und 8 setzt die CPU 51 zunächst –b(U,x,ẋ,t) für eine Variable r0 ein (Schritt S10). Danach setzt die CPU 51 r0/||r0|| für eine Variable v1 ein (Schritt S11) und setzt eine Norm ||r0|| für eine Variable &ggr; ein (Schritt S12). Ferner setzt die CPU 51 &ggr; für eine Variable &egr; ein (Schritt S13) und setzt einen Zähler k auf null (Schritt S14).

Danach bewertet die CPU 51, ob k größer als eine vorgegebene positive ganze Zahl kmax ist oder nicht, welche die Anzahl der Wiederholungen der Berechnung der inversen Matrix darstellt (Schritt S15).

Wenn in Schritt S15 bewertet wird, dass k < kmax erfüllt ist, erhöht die CPU 51 k um eins (Schritt S16). Die CPU 51 setzt D&bgr;G(U,x + &bgr;ẋ, t + &bgr;:vk, 0,0) für vk+1 ein (Schritt S17).

Die CPU setzt den Zähler &kgr; auf 1 (Schritt S18) und setzt vk+1 T v&kgr; in einer Variablen h&kgr;k ein (Schritt S19). Außerdem aktualisiert die CPU 51 vk+1 zu vk+1 – h&kgr;kv&kgr; (Schritt S20).

Die CPU 51 bewertet, ob &kgr; < k erfüllt ist oder nicht (Schritt S21). Wenn bewertet wird, dass &kgr; < k erfüllt ist, setzt die CPU 51 &kgr; um eins herauf (Schritt S22) und fährt mit dem Prozess mit Schritt S19 fort.

Wenn bewertet wird, dass &kgr; ≧ k ist, setzt die CPU 51 die Norm ||vk+1|| in die Variable hk+1,k ein (Schritt S23) und aktualisiert vk+1 zu vk+1/||vk+1|| (Schritt S24).

Danach berechnet die CPU 51 ein yk, für das ||&egr;e1 – HkYk|| minimiert ist, und zwar für e1 und Hk, die durch Formeln (81) und (82) dargestellt sind (Schritt S25). Es sollte erkannt werden, dass Yk ein Vektor ist, der durch eine Formel (83) dargestellt wird. e1 = [1 0 ... 0]T ∊ Rk+1(81) Hk = (hij) ∊ R(k+1)×k(82) wobei, wenn i > j+1 ist, hij = null ist. Yk ∊ Rk(83)

Die CPU 51 aktualisiert &ggr; zu ||&egr;e1-HkYk|| (Schritt S26) und kehrt mit dem Prozess zu Schritt S15 zurück. In Schritt S15, wenn k ≧ kmax ist, setzt die CPU 51 das U. auf Vkyk (Schritt S27). Es sollte beachtet werden, dass Vk einen Vektor darstellt, der durch eine Formel (84) dargestellt wird. Vk = [v1 ... vk] ∊ RmN×k(84)

Die CPU 51 integriert U. in Echtzeit, um U zu berechnen (Schritt S28), und kehrt zurück.

Die Erfinder oder ihresgleichen haben ein Computerprogramm, das eine Schubkraftzuteilung unter Verwendung des vorstehenden Schubberechnungsalgorithmus simuliert, in einen Computer geladen und haben die Schubkraftzuteilung simuliert. 9A stellt eine Tabelle dar, welche Einstellwerte für Parameter zeigt, die bei dieser Simulation verwendet wurden, und 9B stellt eine Tabelle dar, die Einstellwerte für Koeffizienten zeigt, die bei dieser Simulation verwendet wurden. Wie in 9A gezeigt ist, wurde eine Abtastperiode bei diesem Experiment auf 0,1 Sekunden eingestellt, und &zgr; wurde auf 10,0 eingestellt. k1 in der Formel (27) und k2 in der Formel (28) wurden jeweils auf 50,0 eingestellt. Das Auswertungsintervall T wurde auf 0,2 Sekunden eingestellt, und die Konstante &agr; zum Einschränken des neutralen Punktes des Ruderwinkels wurde auf 0,5 eingestellt. Die Anzahl der Wiederholungen für die Berechnung der inversen Matrix kmax wurde auf 20 eingestellt, und die Anzahl der Unterteilung N des Auswertungsintervalls T wurde auf 2 eingestellt.

Wie in 9B gezeigt ist, wurden bei diesem Experiment die Wichtungsfaktoren r1 bis r5 auf 0,1; 1,0; 1,0; 0,1 und 0,1 eingestellt, und die Wichtungsfaktoren Sf1 und Sf2 wurden jeweils auf 0,001 eingestellt. Die Wichtungsfaktoren q1 und q2 wurden jeweils auf 0,1 eingestellt, ein Koeffizient qp wurde auf 1000 eingestellt und &dgr; wurde auf 0,02 eingestellt.

Bei diesem Beispiel wurden die longitudinale Komponente und die laterale Komponente des Sollschubs für das Schiff 10 sowie das Sollschubmoment in der Drehrichtung des Schiffs 10 für 60 Sekunden verändert, und unter dieser Bedingung wurden die Propellerschubkräfte u1(t) bis u3(t) der Schubgeneratoren 1 bis 3 und die Ruderwinkel x1(t) und x2(t) sowie die Rudergeschwindigkeiten u4(t) und u5(t) der Ruder 22 und 32 berechnet. Anhand der berechneten Werte u1(t) bis u5(t) sowie x1(t) und x2(t) wurden die longitudinale Komponente und die laterale Komponente des Schubs für das gesamte Schiff 10 sowie das Schubmoment in der Drehrichtung des Schiffs 10 berechnet und mit den entsprechenden Sollwerten verglichen. Ferner wird als ein Indikator, der anzeigt, wie die aus dem Schubberechnungsprozess der 7 und 8 abgeleiteten berechneten Werte u1(t) bis u5(t) sowie x1(t) und x2(t) die Euler-Lagrange-Formel (16) erfüllen, ein Optimierungsfehler erhalten, der größer wird, wenn diese Werte weiter von numerischen Werten entfernt sind, welche die Formel (16) erfüllen.

Die 10 und 11 sind grafische Darstellungen, die ein Beispiel für experimentelle Ergebnisse zeigen. Die 10A ist eine grafische Darstellung, die eine Zeitreihenänderung der Propellerschubkraft u1(t) des Schubgenerators 1 darstellt, und 10B ist eine grafische Darstellung, die eine Zeitreihenänderung der Propellerschubkräfte u2(t) und u3(t) der Schubgeneratoren 2 und 3 darstellt. In 10B stellt eine durchgezogene Linie die Veränderung bei der Propellerschubkraft u2(t) dar, und eine Strich-Punkt-Linie stellt die Veränderung bei der Propellerschubkraft u3(t) dar. 10C ist eine grafische Darstellung, welche eine Zeitreihenänderung der Ruderwinkel x1(t) und x2(t) der Ruder 22 und 32 darstellt, und 10D ist eine grafische Darstellung, die eine Zeitreihenänderung der Rudergeschwindigkeiten u4(t) und u5(t) darstellt. In 10C stellt eine durchgezogene Linie eine Änderung des Ruderwinkels x1(t) dar, und eine Strich-Punkt-Linie stellt eine Änderung bei dem Ruderwinkel x2(t) dar. In 10D stellt eine durchgezogene Linie die Änderung der Rudergeschwindigkeit u4(t) dar, und eine Strich-Punkt-Linie stellt eine Änderung der Rudergeschwindigkeit u5(t) dar.

11A ist eine grafische Darstellung, die eine Zeitreihenänderung der longitudinalen Komponente des Schubs für das gesamte Schiff 10 zeigt. 11B ist eine grafische Darstellung, die eine Zeitreihenänderung der lateralen Komponente des Schubs für das gesamte Schiff 10 zeigt. 11C ist eine grafische Darstellung, die eine Zeitreihenänderung des Schubmoments in der Drehrichtung für das Schiff 10 zeigt. 11D ist eine grafische Darstellung, die eine Zeitreihenänderung der Gesamtfehler in dem Schubberechnungsprozess zeigt. In den 11A bis 11C stellen die durchgezogenen Linien Zeitreihenänderung der longitudinalen Komponente und lateralen Komponente des Schubs für das Schiff 10 sowie des Schubmoments in der Drehrichtung des Schiffs 10 dar, wenn die Schubgeneratoren 1 bis 3 mit u1(t) bis u5(t) sowie x1(t) und x2(t) arbeiten, und Strich-Punkt-Linien stellen eine Zeitreihenänderung der longitudinalen Komponente und lateralen Komponente des Sollschubs und die Zeitreihenänderung des Sollschubmoments in der Drehrichtung des Schiffs 10 dar.

Wie in den 11A bis 11C gezeigt ist, änderten sie die longitudinale Komponente und die laterale Komponente des Sollschubs sowie das Sollschubmoment in der Drehrichtung in Form einer Sinuswelle mit unterschiedlichen Zyklen. Wie anhand von &agr; = 0,5 zu sehen ist, weist das Ruder mit V-Form einen Ruderwinkel von 50% in Bezug auf einen maximalen Ruderwinkel auf.

Dies führte dazu, dass die Schubkraft und das Schubmoment ungefähr mit den Sollwerten zusammenfielen. Außerdem wurden die Gesamtfehler bei dem Schubberechnungsprozess derart kontrolliert, dass sie klein waren.

Die 12A bis 12C und die 13A bis 13C sind grafische Darstellungen, die weitere Beispiele dieses Experiments zeigen. Wie aus den 13A bis 13C zu ersehen ist, wurde die Simulation unter der Bedingung ausgeführt, dass die longitudinale Komponente und die laterale Komponente der Sollschubkraft 10 Sekunden nach dem Beginn der Simulation als 0,2 gegeben war und 30 Sekunden nach dem Beginn der Simulation ein Fehler bei dem Schubgenerator 1 auftrat. Nach dem Erkennen des Fehlerereignisses wurde der Wichtungsfaktor r1 des Schubgenerators 1 von 0,1 auf 1000 verändert.

Infolgedessen änderte sich 30 Sekunden nach dem Beginn der Simulation, was dem Ereigniszeitpunkt des Schubgenerators 1 entspricht, u1(t) von etwa 0,2 auf 0, u2(t) änderte sich von etwa 0,2 auf etwa 0,7 und u3(t) wurde von etwa 0,2 auf etwa –0,4 verändert. Die Ruderwinkel x1(t) und x2(t) änderten sich ab diesem Zeitpunkt geringfügig.

30 Sekunden nach dem Beginn der Simulation wurden die Schubkraft und ein Schubmoment erreicht, die nahezu mit den Sollwerten zusammenfielen, obgleich die longitudinale Komponente des Schubs für das gesamte Schiff etwas von dem Sollwert entfernt war. In diesem Fall erhöhten sich die Gesamtfehler bei dem Schubberechnungsprozess temporär ungefähr bei Ablauf von 30 Sekunden nach dem Beginn der Simulation, verminderten sich jedoch danach.

Wie zu erkennen sein sollte, kann unter Nutzung des Schubkraftzuteilungsverfahrens entsprechend der vorliegenden Erfindung eine geeignete Schubkraftzuteilung fortgesetzt werden, selbst wenn ein Fehler in dem Schubgenerator auftritt.

Bei diesem Experiment wurde ein Personalcomputer mit einer Standardkonfiguration genutzt. Es wurden lediglich etwa 4 Sekunden benötigt, um u1(t) bis u5(t) sowie x1(t) und x2(t) über 60 Sekunden hin zu berechnen. Anhand dieser Tatsache wird offensichtlich, dass sich eine Schubkraftzuteilung mit Hilfe des Schubkraftberechnungsverfahrens entsprechend der ersten Ausführungsform zufriedenstellend in Echtzeit ausführen lässt.

Ausführungsform 2

14 stellt eine schematische Ansicht dar, die ein Beispiel für einen Aufbau eines mit einer Schubkraftzuteilungsvorrichtung ausgerüsteten Schiffes entsprechend einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 14 gezeigt ist, ist ein Schiff 110 mit Schubgeneratoren 101 bis 106 ausgerüstet. Die Schubgeneratoren 101 bis 106 stellen drehbare Schubgeneratoren dar, d. h. so genannte Azimut-Schubgeneratoren. Die Schubgeneratoren 101 bis 106 können jeweils gedreht werden, um die Richtung zu verändern, in welcher die Schubkraft erzeugt wird.

Wie in 14 gezeigt ist, sind die Schubgeneratoren 101 bis 106 rechts und links in einem vorderen Abschnitt, einem mittleren Abschnitt und einem hinteren Abschnitt des Schiffs 10 angeordnet, die Anzahl und die Anordnung der Schubgeneratoren ist jedoch nicht darauf beschränkt. Im Nachfolgenden soll ein Fall beschrieben werden, bei dem drehbare Schubgeneratoren in einer willkürlichen Anzahl an willkürlichen Stellen des Schiffs 10 angeordnet sind.

15 stellt ein Blockdiagramm dar, welches den Aufbau des mit der Schubkraftzuteilungsvorrichtung ausgerüsteten Schiffs 110 entsprechend der zweiten Ausführungsform zeigt. Hierbei wird angenommen, dass das Schiff 110n drehbare Schubgeneratoren 101 bis 101n aufweist. Wie in 15 gezeigt ist, umfasst das Schiff 110 die n Schubgeneratoren 101 bis 10n, Antriebseinrichtungen 141 bis 14n, eine Schubkraftzuteilungsvorrichtung 150, eine Erkennungseinrichtung 160, eine Einstelleinrichtung 170, eine Sollschub-Berechnungseinrichtung 180 und eine Steuerungseinrichtung 190.

Die Antriebseinrichtungen 141 bis 14n sind jeweils mit den Schubgeneratoren 101 bis 10n verbunden. Die Antriebseinrichtungen 141 bis 14n umfassen jeweils einen Motor, ein Getriebe, eine Hydraulikeinheit und so weiter. Die Antriebseinrichtungen 141 bis 14n sind dafür konfiguriert, die Propeller der drehbaren Schubgeneratoren 101 bis 10nanzutreiben, sodass diese mit gewünschten Rotationsgeschwindigkeiten drehen, und die Schubgeneratoren 101 bis 10n um gewünschte Winkel zu drehen.

Die Erkennungseinrichtung 160 weist ein Positionserkennungsmittel 161, ein Geschwindigkeitserkennungsmittel 162 sowie ein Steuerkurswinkel-Erkennungsmittel 163 mit Konfigurationen analog denjenigen des Positionserkennungsmittels 61, des Geschwindigkeitserkennungsmittels 62 und des Steuerkurswinkel-Erkennungsmittels 63 aus der ersten Ausführungsform auf.

Die Konfigurationen der Einstelleinrichtung 170 und der Sollschub-Berechnungseinrichtung 180 sind analog denjenigen der Einstelleinrichtung 7 und der Sollschub-Berechnungseinrichtung 8 vorgesehen, die bei der ersten Ausführungsform beschrieben worden sind, und sie werden nicht weitergehend beschrieben.

Die Schubkraftzuteilungsvorrichtung 150 umfasst eine CPU 151, einen ROM 152, einen RAM 153 und eine Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle 154. Die Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle 154 ist mit der Sollschub-Berechnungseinrichtung 180 verbunden, um Daten von der Sollschub-Berechnungseinrichtung 180 zu empfangen. Die Schubkraftzuteilungsvorrichtung 150 ist derart konfiguriert, dass sie basierend auf der longitudinalen Komponente und der lateralen Komponente des Sollschubs sowie dem Sollschubmoment in der Drehrichtung, welche von der Sollschub-Berechnungseinrichtung 180 eingegeben werden, Propellerschubkräfte und Drehwinkel für die Schubgeneratoren 101 bis 10n berechnet. Die Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle 154 ist mit der Steuerungseinrichtung 190 verbunden, um Daten an diese zu übertragen. Die Schubkraftzuteilungsvorrichtung 150 ist dafür konfiguriert, die berechneten Propellerschubkräfte und Drehwinkel über die Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle 154 an die Steuerungseinrichtung 190 auszugeben.

Die Steuerungseinrichtung 190 ist mit den Antriebseinrichtungen 141 bis 14n verbunden. Das Schiff 110 ist mit Rotationsgeschwindigkeitssensoren ausgerüstet, zum Erfassen von Rotationsgeschwindigkeiten der Propeller der Schubgeneratoren 101 bis 10n, sowie mit Drehwinkelsensoren zum Erfassen der Drehwinkel der Schubgeneratoren 101 bis 10n. Die Rotationsgeschwindigkeitssensoren und die Drehwinkelsensoren sind mit der Steuerungseinrichtung 190 verbunden, um die erfassten Rotationsgeschwindigkeiten und Drehwinkel an die Steuerungseinrichtung 190 auszugeben.

Die Steuerungseinrichtung 190 umfasst eine CPU, einen ROM, einen RAM und so weiter. Die Steuerungseinrichtung 190 ist dafür konfiguriert, die Propellerschubkräfte und Drehwinkel der Schubgeneratoren 101 bis 10n derart zu regulieren, beispielsweise unter Nutzung einer PID-Regelung, dass die Propellerschubkräfte und die Drehwinkel im Wesentlichen den Propellerschubkräften und den Drehwinkeln entsprechen, welche von der Schubkraftzuteilungsvorrichtung 150 ausgegeben werden, und zwar basierend auf den Propellerschubkräften und Drehwinkeln, die von der Schubkraftzuteilungsvorrichtung 150 eingegeben werden, sowie den momentanen Propeller-Rotationsgeschwindigkeiten und Drehwinkeln, welche von den Sensoren eingegeben werden. Die Steuerungseinrichtung 190 ist dafür konfiguriert, Steuersignale an die Antriebseinrichtungen 141 bis 14n auszugeben, welche die Schubgeneratoren 101 bis 10n antreiben.

Ferner ist die Steuerungseinrichtung 190 dafür konfiguriert zu bewerten, ob die Propellerschubkräfte und Ruderwinkel der Schubgeneratoren 101 bis 10n, welche von den Sensoren gemessen werden, im Wesentlichen mit den Propellerschubkräften und den Drehwinkeln übereinstimmen, die von der Schubkraftzuteilungsvorrichtung 150 eingegeben werden oder nicht. Wenn bewertet wird, dass eine dieser Größen nicht der vorgegebenen entspricht, bewertet die Steuerungseinrichtung 190, dass ein Fehler in dem entsprechenden Schubgenerator aufgetreten ist und gibt Informationen aus, welche ein Fehlerereignis für die Schubkraftzuteilungsvorrichtung 150 anzeigen.

Nachfolgend soll ein Konzept eines Schubkraftzuteilungsalgorithmus eines Programms beschrieben werden, das von der Schubkraftzuteilungsvorrichtung 150 ausgeführt wird. 16 stellt eine schematische Ansicht dar, die eine Position und einen Drehwinkel des drehbaren Schubgenerators zeigt. Wie in 16 gezeigt ist, wird bei einem rumpffesten horizontalen Koordinatensystem xo – yo (Bugachse xo und rechte Achse yo) mit einem Schwerpunkt des Rumpfes als Ursprungspunkt eine Position eines i-ten drehbaren Schubgenerators 10i dargestellt durch (xoi, yoi), die Propellerschubkraft wird dargestellt durch Ti und ein Drehwinkel in Bezug auf die xo-Achse wird dargestellt durch &thgr;i. In diesem System sind eine longitudinale Komponente X und eine laterale Komponente Y der Schubkraft, die von den n Schubgeneratoren erzeugt wird, sowie ein Schubmoment in einer Drehrichtung gegeben durch die Formeln (8), (9) und (10).

Hierbei werden Vektoren von Zustandsvariablen des drehbaren Schubgenerators durch x = [T1,T2, ..., Tn, &thgr;1, &thgr;2, &thgr;n]T dargestellt, und Stellgrößen u, die von der Steuerungseinrichtung 190 den drehbaren Schubgeneratoren 101 bis 10n zugeführt werden sollen, werden durch u = dx/dt dargestellt. Die Skalarwertfunktionen ϕ, L, welche den durch die Formel (11) dargestellten Leistungsindex definieren, sind durch die Formeln (85) bzw. (86) definiert.

wobei:
xrj
= ein Sollwert einer j-ten Zustandsvariablen ist,
Xr
= eine zum Rumpf longitudinale Komponente eines Sollschubs des Schiffs 110 ist, die von der Sollschub-Berechnungseinrichtung 180 gegeben wird,
Yr
= eine zum Rumpf laterale Komponente eines Sollschubs des Schiffs 10 ist, die von der Sollschub-Berechnungseinrichtung 180 gegeben wird,
Nr
= ein Sollschubmoment in einer Drehrichtung des Schiffs 110 ist, das von der Sollschub-Berechnungseinrichtung 180 gegeben wird,
sfj, swX, swY, swN, rj
= Wichtungsfaktoren sind.

Die Stellgröße u und die Zustandsvariable X sind eingeschränkt, wie durch die Formeln (87) und (88) dargestellt wird: uLj ≦ uj ≦ uHj, j = 1, ..., 2n(87) xLj ≦ xj ≦ xHj, j = 1, ..., 2n(88) wobei:

uLj
= ein unterer Grenzwert einer j-ten Stellgröße uj ist,
uHj
= ein oberer Grenzwert einer j-ten Stellgröße uj ist,
xLj
= ein unterer Grenzwert einer j-ten Zustandsvariablen xj ist,
xHj
= ein oberer Grenzwert einer j-ten Zustandsvariablen xj ist.

Falls irgendeiner der Schubgeneratoren 101 bis 10n aufgrund eines Fehlers oder dergleichen anhalten sollte, wird der Wichtungsfaktor rj der entsprechenden Stellgröße erhöht, oder es wird bewirkt, dass der untere Grenzwert uLj und der obere Grenzwert uHj der entsprechenden Stellgröße gegen null gehen. Unter dieser Bedingung kann nach dem Anhalten des Schubgenerators eine Schubkraftzuteilung korrekt ausgeführt werden.

Die Erfinder oder ihresgleichen haben ein Computerprogramm, das eine Schubkraftzuteilung mit Hilfe des vorstehend erwähnten Sollschub-Berechnungsalgorithmus simuliert, in den Computer geladen und haben die Schubkraftzuteilung simuliert. 17 stellt eine schematische Ansicht dar, die ein Konzept eines Experiments 1 zeigt. Wie in 17 gezeigt ist, wurden in dem Experiment 1 Wechsel der Propellerschubkräfte und Drehwinkel der Schubgeneratoren 101 bis 106 simuliert, und zwar 100 Sekunden lang unter der Bedingung, dass Wind mit einer Geschwindigkeit von 25 m/s von schräg rechts vorn gegen den Rumpf bläst (in einem Winkel von 45 Grad in Bezug auf den Rumpf) und als Störung eine Strömung mit 3 kt in der gleichen Richtung auf das Schiff 110 wirkt, welches den Aufbau aus 15 aufweist, und das Schiff 110 eine Vorwärtsschubkraft von 10 t erzeugt.

18 stellt eine schematische Draufsicht dar, welche Ergebnisse des Experiments 1 zeigt. Die 19 bis 25 sind grafische Darstellungen, die Ergebnisse des Experiments 1 zeigen. 19 zeigt eine Zeitreihenänderung der Änderungsgeschwindigkeiten der Propellerschubkräfte der Schubgeneratoren 101 bis 106, 20 zeigt eine Zeitreihenänderung der Propellerschubkräfte der Schubgeneratoren 101 bis 106, 21 zeigt eine Zeitreihenänderung der Drehwinkelgeschwindigkeiten (Drehgeschwindigkeiten) der Schubgeneratoren 101 bis 106, 22 zeigt eine Zeitreihenänderung der Drehwinkel der Schubgeneratoren 101 bis 106, 23 zeigt eine Zeitreihenänderung der longitudinalen Komponente der Schubkraft des gesamten Schiffs 110, 24 zeigt eine Zeitreihenänderung der lateralen Komponente der Schubkraft des gesamten Schiffs 110 und 25 zeigt eine Zeitreihenänderung des Drehschubs (Schubmoments in der Drehrichtung) des gesamten Schiffs 110.

In 18 stellen die Pfeile Schubkräfte dar, die von den Schubgeneratoren 101 bis 106 an den entsprechenden Positionen erzeugt werden. Die Richtungen der Pfeile repräsentieren die Richtungen der Schubkräfte (d. h. Drehwinkel), und die Längen der Pfeile repräsentieren die Größen der Schubkräfte. Von den an der gleichen Stelle angeordneten Pfeilen stellt der obere Pfeil die später erzeugte Schubkraft dar. In 18 sind die Richtungen und Größen der von den Schubgeneratoren 101 bis 106 erzeugten Schubkräfte dargestellt, indem die Pfeile, welche die im Zeitverlauf später erzeugten Schubkräfte darstellen, oben gezeichnet sind.

In den 19 bis 22 sind experimentelle Ergebnisse für den Schubgenerator 101 durch Strichlinien mit langer Teilung dargestellt, experimentelle Ergebnisse für den Schubgenerator 102 sind durch dünne, durchgezogene Linien dargestellt, experimentelle Ergebnisse für den Schubgenerator 103 sind durch Strichlinien mit kurzer Teilung dargestellt, experimentelle Ergebnisse für den Schubgenerator 104 sind durch fette, durchgezogene Linien dargestellt, experimentelle Ergebnisse für den Schubgenerator 105 sind durch Strich-Punkt-Linien dargestellt, experimentelle Ergebnisse für den Schubgenerator 106 sind durch Strich-Zweipunkt-Linien dargestellt. Bei dem Experiment 1 ist für jeden der Schubgeneratoren 101 bis 106 als eine maximale Schubkraft 17 t angenommen, und eine minimale Schubkraft ist auf 30% der maximalen Schubkraft festgesetzt.

Wie in den 23 bis 25 gezeigt ist, sind die zum Rumpf longitudinale Komponente des Sollschubs des Schiffs 110, die zum Rumpf laterale Komponente des Sollschubs des Schiffs 110 und das Sollschubmoment in der Drehrichtung des Schiffs 110 mit Strich-Punkt-Linien dargestellt, und die entsprechenden experimentellen Ergebnisse sind mit durchgezogenen Linien dargestellt.

Wie aus den 18 bis 22 zu ersehen ist, änderten sich die Änderungsgeschwindigkeiten der Propellerschubkräfte, die Drehgeschwindigkeiten und die Drehwinkel der Schubgeneratoren 101 bis 106 deutlich ab 10 Sekunden nach dem Beginn der Simulation bis 40 Sekunden nach dem Beginn der Simulation und blieben danach im Wesentlichen stabil.

Wie aus den 23 bis 25 zu ersehen ist, erhöhen sich die longitudinale Komponente und die laterale Komponente des von dem Schiff 110 erzeugten Gesamtschubs und das Drehmoment in der Drehrichtung des Schiffs 110 allmählich ab 10 Sekunden nach dem Beginn der Simulation bis 40 Sekunden nach dem Beginn der Simulation und bleiben danach im Wesentlichen konstant. Außerdem fallen diese Werte im Wesentlichen mit den entsprechenden Sollwerten zusammen. Daher entsprechen die longitudinale Komponente und die laterale Komponente der von dem gesamten Schiff 110 erzeugten Schubkraft sowie das Schubmoment in der Drehrichtung des Schiffs 110 im Wesentlichen den in Echtzeit vorgegebenen Sollwerten.

Die Erfinder oder ihresgleichen haben ein Experiment 2 ausgeführt, um die Wirksamkeit des Schubkraftberechnungsalgorithmus zu bestätigen, der in der zweiten Ausführungsform beschrieben worden ist. 26 stellt eine schematische Ansicht dar, welche das Konzept des Experiments 2 zeigt. Wie in 26 gezeigt ist, wird bei dem Experiment 2 angenommen, dass an dem Schubgenerator 101 an der linken vorderen Seite des Rumpfes des Schiffs 110 ein Fehler aufgetreten ist und der Schubgenerator 101 unter den im Experiment 1 genutzten Bedingungen gestoppt wurde, wobei die Wechsel der Propellerschubkräfte und Drehwinkel für die Schubgeneratoren 102 bis 106 100 Sekunden lang simuliert wurden.

27 stellt eine schematische Draufsicht dar, die Ergebnisse des Experiments 2 zeigt. Die 28 bis 34 sind graphische Darstellungen, welche die Ergebnisse des Experiments 2 zeigen. 28 zeigt eine Zeitreihenänderung von Änderungsgeschwindigkeiten der Propellerschubkräfte für die Schubgeneratoren 102 bis 106, 29 zeigt eine Zeitreihenänderung der Propellerschubkräfte der Schubgeneratoren 102 bis 106, 30 zeigt eine Zeitreihenänderung der Drehgeschwindigkeiten der Schubgeneratoren 102 bis 106, 31 zeigt eine Zeitreihenänderung der Drehgeschwindigkeiten der Schubgeneratoren 102 bis 106, 32 zeigt eine Zeitreihenänderung der longitudinalen Komponente der Schubkraft des gesamten Schiffs 110, 33 zeigt eine Zeitreihenänderung der lateralen Komponente der Schubkraft des gesamten Schiffs 110 und 34 zeigt eine Zeitreihenänderung des Drehschubs (Schubmoments in der Drehrichtung) des gesamten Schiffs 110.

Wie in den 28 bis 31 gezeigt ist, ändern sich die Änderungsgeschwindigkeiten der Propellerschubkräfte, die Propellerschubkräfte, die Drehgeschwindigkeiten und die Drehwinkel der Schubgeneratoren 102 bis 106 stärker als bei den Ergebnissen des Experiments 1 ab 10 Sekunden nach dem Beginn der Simulation bis 40 Sekunden nach dem Beginn der Simulation und sind danach im Wesentlichen stabil. Nach 40 Sekunden nach dem Beginn der Simulation werden die von den Schubgeneratoren 102 bis 106 erzeugten Schubkräfte größer als diejenigen aus dem Experiment 1, um die Schubkraft des angehaltenen Schubgenerators 101 zu kompensieren.

Wie aus den 32 bis 34 zu ersehen ist, fallen die longitudinale Komponente und die laterale Komponente der Schubkraft für das gesamte Schiff 110 sowie das Schubmoment in der Drehrichtung des Schiffs 110 im Wesentlichen mit denjenigen aus dem Experiment 1 zusammen. Daraus folgt, dass es bei Verwendung des Schubkraftberechnungsalgorithmus entsprechend der zweiten Ausführungsform möglich ist, eine geeignete Schubkraftzuteilung fortzusetzen, selbst wenn ein Fehler in dem Schubgenerator aufgetreten ist.

Zahlreiche Modifikationen und alternative Ausführungsformen der Erfindung werden für Fachleute auf dem Gebiet anhand der vorstehenden Beschreibung offensichtlich sein. Dementsprechend ist die Beschreibung lediglich als veranschaulichend zu betrachten und wird zu dem Zwecke bereitgestellt, Fachleuten die beste Art und Weise zur Ausführung der Erfindung aufzuzeigen.


Anspruch[de]
Verfahren zur Zuteilung von Schubkräften an einem Flug- und Wasserfahrzeug, welches mit einer Vielzahl von Schubgeneratoren (1, 21, 31) ausgerüstet ist, welche entsprechend Stellgrößen Schubkräfte erzeugen, umfassend Berechnen der Stellgrößen, welche der Vielzahl von Schubgeneratoren zugeführt werden, um zu ermöglichen, das Flug- und Wasserfahrzeug mit einer vorgegebenen Sollschubkraft zu Betreiben oder an einem Festpunkt zu Halten, wobei

basierend auf einem Kräftegleichgewicht und Momentengleichgewicht zwischen den von den Schubgeneratoren erzeugten Schubkräften und einer Schubkraft des Flug- und Wasserfahrzeugs, welche basierend auf nichtlinearen Charakteristika der Schubgeneratoren vorgegeben ist, und

basierend auf einem vorgegebenen Leistungsindex, welcher mit Zustandsvariablen in Zusammenhang steht, welche mit Zuständen der Schubgeneratoren und/oder den von den Schubgeneratoren erzeugten Schubkräften in Zusammenhang stehen, um die von den Schubgeneratoren erzeugten Schubkräfte zu Minimieren,

wobei die Stellgrößen der Schubgeneratoren, welche ein Gleichgewicht zwischen den Stellgrößen und der Sollschubkraft sowie eine vorgegebene Bedingung des Leistungsindex erfüllen, unter Verwendung von Variationsberechnungen berechnet werden, wobei das Kräftegleichgewicht und Momentengleichgewicht als einschränkende Bedingungen verwendet werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei ein Receding Horizon Control durch Minimieren des Wertes des Leistungsindex, dessen Auswertungsintervall sich ändert, aufgestellt wird. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Gleichgewicht basierend auf den nichtlinearen Charakteristika und dynamischen Charakteristika der Schubgeneratoren vorgegeben wird. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Gleichgewicht durch Formeln (1) bis (3) gegeben ist:
wobei X eine longitudinale Komponente der Schubkraft des Flug- und Wasserfahrzeuges ist,

Y eine laterale Komponente der Schubkraft des Flug- und Wasserfahrzeuges ist,

N ein Schubmoment in einer Drehrichtung des Flug- und Wasserfahrzeuges ist,

fxi eine longitudinale Komponente der von einem i-ten Schubgenerator erzeugten Schubkraft ist,

fyi eine laterale Komponente der vom i-ten Schubgenerator erzeugten Schubkraft ist,

k1i und k2i Koeffizienten sind, und

i gleich 1 bis n (n: natürliche Zahl) ist.
Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei die von den Schubgeneratoren erzeugten Schubkräfte F(t) = [fx1 ... fxn fy1 ... fyn]T durch eine nicht-lineare Gleichung (4) gegeben sind: F(t) = h[x(t), u(t) ‚t](4) wenn die Stellgrößen der Schubgeneratoren durch u(t) = [u1 ... um]T (m: positive Ganzzahl) der Schubgeneratoren dargestellt werden,

wobei t eine Zeitvariable ist, und

x die durch nicht-lineare Differentialgleichungen (5) gegebenen Zustandsvariablen sind: ẋ(t) = g[x(t), u(t), t](5)
Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei die Zielwerte u die durch eine Formel (6) dargestellte Beziehung erfüllen: |uj(t)| < ujmax(6) wobei ujmax eine Konstante ist und

j gleich 1 bis m ist (m: natürliche Zahl).
Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei die Zustandsvariablen x eine durch eine Formel (7) dargestellte Beziehung erfüllen: |Xi(t)| < Ximax(7) wobei Ximax eine Konstante ist. Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei die Schubgeneratoren Azimut-Schubgeneratoren sind und das Gleichgewicht durch Formeln (8) bis (10) gegeben ist:
wobei Ti eine Propellerschubkraft des i-ten Schubgenerators ist,

&thgr;i ein Drehwinkel des i-ten Schubgenerators ist,

Xoi eine Position des i-ten Schubgenerators bezüglich eines Schwerpunktes des Flug- und Wasserfahrzeuges in einer longitudinalen Richtung des Fahrzeugs ist, und

yoi eine Position des i-ten Schubgenerators bezüglich des Schwerpunktes des Flug- und Wasserfahrzeuges in einer lateralen Richtung des Fahrzeugs ist.
Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei der Leistungsindex J durch eine Formel (11) gegeben ist: J = ϕ[x(t + T)] + ∫tt+T L[x(t'), u(t')]dt'(11) wobei ϕ und L Skalarwertfunktionen sind, welche bis zu einem vorgegebenen Grad oder höher differenzierbar sind,

T eine Konstante ist, und

t' eine Variable ist, welche t ≦ t' ≦ t + T erfüllt, und

die vorgegebene Bedingung zum Minimieren oder Maximieren des Wertes des Leistungsindex J vorgegeben ist.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei der Leistungsindex J Wichtungsfaktoren beinhaltet, welche mit den Zustandsvariablen x und/oder den Zielwerten u in Zusammenhang stehen, und die Wichtungsfaktoren in Echtzeit verändert werden. Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei beim Auftreten eines Fehlers im Schubgenerator die Wichtungsfaktoren, welche in Zusammenhang mit den Zustandsvariablen x und/oder den Zielwerten u des Schubgenerators stehen, in welchem der Fehler auftritt, verändert werden. Vorrichtung zum Zuteilen von Schubkräften an einem Flug- und Wasserfahrzeug, welches mit einer Vielzahl von Schubgeneratoren (1, 21, 31) ausgerüstet ist, welche entsprechend Stellgrößen Schubkräfte erzeugen, wobei die Vorrichtung zum Berechnen der Stellgrößen, welche der Vielzahl von Schubgeneratoren zugeführt werden, konfiguriert ist um zu ermöglichen, das Flug- und Wasserfahrzeug mit einem vorgegebenen Sollschub zu Betreiben oder an einem Festpunkt zu Halten, umfassend:

ein Berechnungsmittel zum Berechnen der Stellgrößen der Schubgeneratoren, welche ein Gleichgewicht zwischen den Stellgrößen und dem Sollschub sowie einer vorgegebenen Bedingung eines vorgegebenen Leistungsindex erfüllen,

basierend auf einem Kräftegleichgewicht und Momentengleichgewicht zwischen den von den Schubgeneratoren erzeugten Schubkräften und einer Schubkraft des Flug- und Wasserfahrzeuges, welches basierend auf nichtlinearen Charakteristika der Schubgeneratoren vorgegeben ist, und

basierend auf dem vorgegebenen Leistungsindex, welcher mit Zustandsvariablen in Zusammenhang steht, welche mit Zuständen der Schubgeneratoren und/oder mit den von den Schubgeneratoren erzeugten Schubkräften in Zusammenhang stehen, um die von den Schubgeneratoren erzeugten Schubkräfte zu minimieren,

wobei mit dem Berechnungsmittel, welches Variationsrechnungen zum Berechnen der Stellgrößen der Schubgeneratoren verwendet, das Kräftegleichgewicht und Momentengleichgewicht als einschränkende Bedingungen verwendet werden.
Vorrichtung gemäß Anspruch 12, wobei ein Receding Horizon Control durch Minimieren des Wertes des Leistungsindex, dessen Auswertungsintervall sich verändert, aufgestellt wird. Vorrichtung gemäß Anspruch 12, wobei das Gleichgewicht basierend auf den nichtlinearen Charakteristika und dynamischen Charakteristika der Schubgeneratoren vorgegeben ist. Vorrichtung gemäß Anspruch 12, wobei das Gleichgewicht durch Formeln (1) bis (3) gegeben ist:
wobei X eine longitudinale Komponente der Schubkraft des Flug- und Wasserfahrzeuges ist,

Y eine laterale Komponente der Schubkraft des Flug- und Wasserfahrzeuges ist,

N ein Schubmoment in einer Drehrichtung des Flug- und Wasserfahrzeuges ist,

fxi eine longitudinale Komponente der von einem i-ten Schubgenerator erzeugten Schubkraft ist,

fyi eine laterale Komponente der vom i-ten Schubgenerator erzeugten Schubkraft ist,

k1i und k2i Koeffizienten sind, und

i gleich 1 bis n (n: natürliche Zahl) ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 15, wobei die von den Schubgeneratoren erzeugten Schubkräfte F(t) = [fx1 ... fxn fy1 ... fyn]T durch nichtlineare Gleichungen (4) gegeben sind: F(t) = h[x(t), u(t), t](4) wenn Stellgrößen der Schubgeneratoren durch u(t) = [u1 ... um]T (m: positive Ganzzahl) der Schubgeneratoren dargestellt werden,

wobei t eine Zeitvariable ist, und

x durch nicht-lineare Differentialgleichungen (5) gegebene Zustandsvariablen sind: ẋ(t) = g[x(t), u(t), t](5)
Vorrichtung gemäß Anspruch 16, wobei die Zustandsvariablen u die durch eine Formel (6) gegebene Beziehung erfüllen: |uj(t)| < ujmax(6) wobei ujmax eine Konstante ist und

j gleich 1 bis m ist (m: natürliche Zahl).
Vorrichtung gemäß Anspruch 16, wobei die Zustandsvariablen x die durch eine Formel (7) gegebene Beziehung erfüllen: |xi(t)| < Ximax(7) wobei Ximax eine Konstante ist. Vorrichtung gemäß Anspruch 16, wobei die Schubgeneratoren Azimut-Schubgeneratoren sind und das Gleichgewicht durch Formeln (8) bis (10) gegeben ist:
wobei Ti eine Propellerschubkraft eines i-ten Schubgenerators ist,

&thgr;i ein Drehwinkel des i-ten Schubgenerators ist,

xoi eine Position des i-ten Schubgenerators bezüglich eines Schwerpunktes des Flug- und Wasserfahrzeuges in einer longitudinalen Richtung des Fahrzeugs ist, und

yoi eine Position des i-ten Schubgenerators bezüglich des Schwerpunkts des Flug- und Wasserfahrzeuges in einer lateralen Richtung des Fahrzeugs ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 16, wobei der Leistungsindex J durch eine Formel (11) gegeben ist: J = ϕ[x(t + T)] + ∫tt+T L[x(t'), u(t')]dt'(11) wobei ϕ und L Skalarwertfunktionen sind, welche bis zu einem vorgegebenen Grad oder höher differenzierbar sind,

T eine Konstante ist, und

t' eine Variable ist, welche t ≦ t' ≦ t + T erfüllt, und

die vorgegebene Bedingung zum Minimieren oder Maximieren des Wertes des Leistungsindex J festgelegt ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 20, wobei der Leistungsindex J Wichtungsfaktoren beinhaltet, welche mit den Zustandsvariablen x und/oder den Stellgrößen u in Zusammenhang stehen, ferner umfassend:

ein Änderungsmittel, welches in der Lage ist, die Wichtungsfaktoren in Echtzeit zu verändern.
Vorrichtung gemäß Anspruch 21, ferner umfassend:

ein Erkennungsmittel zum Erkennen eines Fehlerereignisses im Schubgenerator, wobei

wenn das Erkennungsmittel das Fehlerereignis im Schubgenerator erkennt, verändert das Änderungsmittel den Wichtungsfaktor, welcher in Zusammenhang mit den Zustandsvariablen x und/oder den Zielwerten u des Schubgenerators stehen, in welchem der Fehler auftritt.






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